其他

週期表上的穩定島

爭先製造世界上最重元素的賽事已然開始,除此之外,科學家還試圖鍛造壽命長的超重元素,找出元素穩定存在的粒子組成。

撰文/杜爾曼(Christoph E. Dullmann)、卜洛克(Michael Block)
翻譯/陳義裕

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週期表上的穩定島

爭先製造世界上最重元素的賽事已然開始,除此之外,科學家還試圖鍛造壽命長的超重元素,找出元素穩定存在的粒子組成。

撰文/杜爾曼(Christoph E. Dullmann)、卜洛克(Michael Block)
翻譯/陳義裕


現今發現最重的元素稱為「」(Og,音同「奧」),其原子核中塞滿了118個質子。相形之下,你我體內、地球海洋中、甚至木星大氣層內皆可發現蹤跡的氫元素,其數量雖然在宇宙中稱霸,卻只含一個質子。俄美聯合團隊的科學家運用位於俄羅斯杜布那市的粒子加速器,把不計其數的鈣離子撞向重元素靶材,終於在2006年正式宣佈發現了。研究人員在歷經1080小時的撞擊後,才得以製造出區區三個這種超重元素的原子。


但這些原子存在千分之幾秒後就香消玉殞。


話說回來,在仔細檢測、核算這些核反應產生的所有輻射與較小的原子後,俄羅斯聯合核子研究所的科學家極為確定,在轉瞬即逝的片刻真的製造出此元素。歷經10年以上的審議、再審議,第118號元素終於在2015年正式躋身元素週期表,成為世界物質名錄上的一員。此元素根據聯合核子研究所中的學者奧加涅席恩(Yuri Oganessian)而命名,因他在此研究中獨領風騷。


可是,沒被發現的元素還有多少呢?就在過去10年,科學家把週期表一擴再擴,新發現的原子一個比一個重。在週期表中,自然界的每一個基本元素都是依其原子核所含的質子數界定。就在正式命名的當下,研究人員也把原子中分別含有113、115以及117個質子的元素一併填入週期表內。杜爾曼(本文作者之一)已投入數種所謂超重元素的頂尖化學實驗中一段時日,而卜洛克(另一位作者)則直接測量超重元素的質量並進行其他研究。我們所發現的每種新元素都很令人振奮,因為它們是人類從沒碰過的未知物質。


可是我們無法將之收存起來,我們製造出來寥寥可數的原子僅能存在片刻,因為它們含有太多帶正電的質子,而質子之間的互斥之力而裂解或衰變。不過科學家懷疑數種尚未發現的超重元素及其同位素(中子數不同的同種元素)也許可以打破稍縱即逝這個惱人的詛咒。我們所想像的這類元素在衰變前或許能流連數分鐘、甚至數年。


若真如此,它們就會落在週期表中過往遍尋不著的所謂「穩定島」(island of stability)區內。由於原子核內某種特殊組態,位於此區內的超重元素具有不凡的穩定性,不再只是實驗室內創生的蜉蝣,而是會持續長期存在。近日科學家發現的原子,或許已經探觸到穩定島的岸邊。


例如第114號元素,其原子核內擠了那麼多質子,實際衰變的速度卻比某些計算預測的還慢了一些。此外,近年發現的超重元素的半衰期(即半數的原子衰變成其他元素所需的時間),也會隨著中子數增加而逐步增長,雖然這個半衰期還是很短暫。傳統上,人們臆測週期表上的穩定島所在區域,其原子核約略含有114個質子,中子數也應該比之前所製造出來的任何元素還來得更多,而前述觀察與此預測相符。


如今發現了這些半衰期稍長一丁點兒的同位素(所延長的時間遠小於一秒),再度點燃了幾個世代以來重元素研究學者探求的熱情。既然科學家已經開始揚帆航向穩定島探索,就期望能定出其邊界,找出最穩定的同位素所在的核心位置,並觀察這些原子到底會在世間徘徊多久。


近幾年來,科學家對位在週期表尾端的這些元素已蒐集到諸多迷人的資訊。我們的實驗技術已經達到一定地步,讓我們得以探究所製造的超重元素的化學性質,例如在室溫下會是金屬或氣體。若有一天,我們得以製造出一公斤的這種物質,很可能就會發現這些元素有嶄新且有用的性質,而該性質會讓它們從已知物質中脫穎而出。就算我們所製造的新元素依舊衰變、不容許我們有將之放在手上把玩的時間,它們還是可以幫助我們進一步了解化學知識與物質本質。


觸碰穩定島


為了要定出那些物質的本質,人們在化學上無止境的嘗試都在週期表上歷歷展現。週期表是在19世紀發展出來,其中最知名的人物是化學家門得列夫(Dmitri Mendeleev),另一位獨立發展的化學家則是麥爾(Julius Lothar Meyer)。週期表是把元素按其原子序(即每個原子內所含的質子數)排列,從而展現出該元素與其他元素的原子進行反應、產生化合物時的相似性。週期表才剛問世,化學家就想像它可拓展的廣度。自然界中大量存在的最重元素是鈾,其原子核含有92個質子。但是原子核內每增加一個質子,正電就增加,而會讓同性電相斥的所謂庫侖力也會跟著增大。這個推擠的力增加到某個程度時,會比把原子核束縛在一起的「強交互作用」造成的引力還強,此時原子核就會經由核分裂(fission)而裂解。


可是一種元素的穩定性並不是只由所含的質子數來決定,它還和原子核中質子以及中子的配置有關。根據1963年諾貝爾物理獎得主梅爾(Maria Goeppert Mayer)與燕仁(J. Hans D. Jensen)在1940年代末期所發展出來的「原子核殼層模型」(nuclear shell model),這兩種組成粒子都可填入所謂的原子核殼層上。這就像是原子核內有分層級,每一層只能容納特定數目的質子與中子,也與原子核外繞行的電子的電子殼層相似。在這兩例中,填滿粒子的殼層會形成較強的束縛,所以提高了穩定性。


科學家之所以想出殼層模型,在於他們察覺每當原子核所含的質子數或中子數達到2、8、20、28、50、82這些特定的「魔數」(magic number),原子核就比較穩定而不容易裂解。後來我們才知道,這些魔數就對應到填滿殼層的粒子數。對已知原子來說,質子以及中子的魔數都相同,可是沒人敢打包票說這兩組數字永遠都會相符。一個原子核的質子數與中子數若都是滿殼層的數目,我們稱之為「雙魔」(doubly magic)。


我們對於魔數還有很多不懂之處,例如是否還有其他的原子核之魔數?某些理論預測,符合雙魔組合的超重原子核會含有114個質子以及184個中子。雖然我們已經在實驗室中製造出第114號元素,但還沒造出一個內含184個中子的同位素。根據這個在1960年代首度提出的魔數組合預測,這種同位素超級穩定,半衰期直逼地球年齡。此預言首度暗示穩定島的存在,而此一概念從當年點燃這個領域的激情之後,就持續驅動我們直到今日。


不過,我們依舊不知道114與184會不會真的就是夢幻組合。例如別的理論架構則預測120或126個質子搭配172個中子。至於尚未發現的魔數,我們得以做某些預測,還需歸功愛因斯坦。一個原子的質量總是比其組成的質子、中子以及電子的總質量還小,而他解釋了這個令人驚異的結果。他那著名的公式E=mc2顯示,缺少的質量以束縛能呈現,而束縛能則維繫了原子核。只要對不同質子與中子比例的原子稱重,就可以讓我們找出何種組態(換言之,代表了魔數)可導致最強的束縛,也可推論原子究竟多麼穩定。


不論下一組魔數為何,我們認為我們已經開始觸碰穩定島。因為實驗顯示超重元素的半衰期隨著中子數增加,暗示我們正逐步趨近下一個中子魔數。第112號元素金哥(Cn)便是展現此趨勢的好例子:對比只能存在0.6毫秒的金哥277(內含112個質子以及165個中子),金哥285(又多了8個中子,中子數達到173)的半衰期延長了五萬倍。當同位素越接近穩定島中心,這個延長趨勢極可能延續下去,雖然我們對於永生不衰的超重元素尚無定論。


但僅是這一可能性,就觸發科學家在大自然中追尋此類元素。我們的想法是:即使未曾大量發現這類原素,並不代表它們不是微量隱身四周,例如兩顆非常緻密的星球(稱為中子星)發生碰撞,則超重元素可能伴隨比鐵還重的其他元素從這類劇烈事件中產生,並到處散落。在此情況下,從太空而來的宇宙射線中就可能含有它們,甚至是存在於地球岩石內。根據預測,第110號元素鐽(Ds)若含有184個(魔數)中子就會相當穩定,而我們也預期它的化學性質與週期表上位於它正上方的鉑(Pt)相似。科學家曾設法運用X射線螢光術及質譜儀等技術在鉑礦石中尋找鐽,但發現其蘊藏量必定低於10億分之一。


研究人員也曾試圖在宇宙射線中尋覓超重元素的蛛絲馬跡,例如他們在美國航太總署(NASA)的長期輻照設施上進行超重宇宙射線實驗,不過沒有得到明確結論。但科學家一定會持續努力,因為這類發現可謂意義重大。更何況,新元素的發現可能意味新奇材料的誕生,而其獨特性質可能有廣泛應用。 .......