比铀还重的元素

天王星是1781年由德国著名天文学家赫歇耳发现的，它绕太阳公转的轨道稍微有些反常。天文学家断定：在天王星轨道外面，一定还有某颗末被发现的行星在对天王星施加引力。年轻的英国天文学家亚当斯和法国天文学家勒维耶根据牛顿万有引力定律，各自独立地计算出了这颗假想行星的位置。

　　1846年，德国天文学家加勒将望远镜对准宝瓶星座内勒维耶所指的那一点，果然发现了一颗新行星，它被命名为海王星。海王星的发现轰动一时，是天文学史上的一个奇迹，至今令人赞叹。

　　但是，在化学元素中的“天王星”—铀的后面，还有更重的元素存在吗？自从门捷列夫确定了铀的最重元素地位以后，人们就开始提出这个问题。经过许多科学家的长期努力，终于证明铀后面确实存在着更重的元素。不过，化学元素中的“海王星”的发现，要比行星中的海王星的发现困难得多，也迟得多。

　　从发现天王星到发现海王星，前后经历了六十多年，而从发现铀(原意天王星)到发现镎(原意海王星)，前后却经历了一百五十多年。

　　在自然界探索超铀元素的工作很早就开始了。人们原先认为，92号元素铀与铬同族，所以推测93号元素应与锰同族，性质上更类似于铼。因此1925年就曾有人在商品锰和软锰矿中探索93号元素，但未获成功。

　　1934年，捷克化学家科布立克从沥青铀矿中分离出一种“铼的类似物”。重量分析测得其“原子量”为240，因此他认定这就是93号元素并进行了命名，声称沥青铀矿中含此元素达1％。科布立克把样品寄给当时公认的稀土元素分析方面的权威、元素铼的发现者诺达克夫妇，以便作最后的鉴定。但是诺达克夫妇鉴定结果表明，这种物质根本不是什么93号元素或其它未知的新元素，而实际上只是一种存在于矿石中的钨、钒和银的复杂混合物。

　　在探索未知事物的过程中，探索者的伴侣常常是失败而不是成功。但是暂时的挫折从未能动摇探索者前进的决心。

　　此起彼伏，年轻的意大利学者费米在罗马开辟了一条新的道路，用中子轰击铀的方法来合成超铀元素。如前所述，费米的工作导致了铀核裂变这一重要现象的发现。虽然费米、伊伦，居里和哈思等没有能发现真正的超铀元素，然而铀核的裂变并不排斥存在超铀元素的可能性。以后的工作证明，费米的道路确实是一条通向发现超铀元素的成功的道路。

　　1938年底发现核裂变现象后，人们的注意力都集中在裂变现象的研究上，而把超铀元素的问题搁在一旁了。裂变现象发现前，费米等把裂变产物误当成超铀元素，而这时又有个别科学家犯了相反的错误，把真正的超铀元素误当成裂变产物，放过了作出重大发现的机会。可是，美国科学家麦克米伦在核裂变的狂热中保持了冷静的头脑，终于完成了费米等未竟的事业。

　　当时(1939年裂变现象发现后不久)，麦克米伦正是采用中子轰击铀薄片的方法，来研究裂变产物的射程。他注意到，大部分裂变产物从薄片上反冲出来，但是半衰期为23分钟和2.3天的两种放射性物质留在薄片内。

　　这23分钟的放射性物质已经知道是铀239，它是由铀238俘获一个中子生成的。但这2.3天的放射性物质是未知的，它究竟是什么呢？若是裂变产物，它就应从薄片中反冲出来，它不反冲，就说明它可能也是简单中子俘获过程的一个产物。换句话说，麦克米伦推测它有可能是一个超铀元素。1940年的春天，他与艾贝尔森合作，用化学的方法证实，这种半衰期为2.3天的放射性物质，确是一种新元素—93号元素的一个同位素。

　　就这样，超铀元素的探索导致了裂变现象的发现；而裂变现象的进一步研究，却又导致了超铀元素的真正发现。鉴于铀的名称由天王星而来，按照太阳系行星的次序，下一个便是海王星，于是麦克米伦和艾贝尔森把93号新元素命名为镎(原意海王星，元素符号Np)。

　　镎的发现，终于动摇了铀的最重元素的地位，开辟了超铀元素这一全新的领域。

　　麦克米伦和艾贝尔森当时制得的镎同位素是镎239。现在知道，镎239是β放射体，它衰变为94号元素的一个同位素钚239(它就是我们前面介绍过的一种重要的裂变物质)。

　　钚239仿佛已是垂手可得的了，但当时麦克米伦和艾贝尔森只是考虑了这种可能性，由于钚239放射性较弱，未能把它鉴定出来。同年，西博格和麦克米伦等在用氘核轰击铀时发现了钚。

　　在镎和钚发现后，又用人工核反应的方法制取了95号元素镅(Am)、96号元素锔(Cm)、97号元素锫(Bk)和98号元素锎(Cf)。在氢弹爆炸的产物中发现了99号元素锿(Es)和100号元素镄(Fm)。后来又用重离子反应陆续合成了101号元素钔(Md)、102号元素鍩(No)、103号元素铑(Lr)以及104～107号元素。

　　苏、美两国科学家，都认为自己是104号和105号元素的发现者，按照国际惯例，新元素的发现者对新元素有命名权，这样就使这两个元素目前各有两个名称。苏联科学家用104号元素纪念苏联核物理学家库尔恰托夫，美国科学家则用它纪念核物理学的奠基者卢瑟福；美国科学家用105号元素纪念核裂变现象的发现者哈恩，而苏联科学家用它纪念原子物理学的奠基者玻尔。

　　这种情况的出现，不但反映了苏、美两国科学家在超铀元素领域内的激烈争夺，而且说明了合成和鉴定这些元素决不是一件容易的事。就拿101号元素钔来说吧。在1955年发现这个元素的实验中，美国科学家吉奥索等全力以赴，背水一战，把他们当时所拥有的大约十亿个锿253原子全部用来作为靶子，并用强大的α粒子流进行轰击。即便是这样，一次轰击时间为三小时的实验，估计也只能产生一个101号元素的原子。他们在头八次实验中，确实总共只不过得到了十七个101号元素的原子。地球诞生以来的几十亿年中，地球上大概从来没有一种物质，曾以这么微小的量存在过吧！

　　由此可知，鉴定和研究这些元素是多么困难，这往往是在一次实验中得到一个或几个原子的基础上进行的。要进行研究，在实验中起码要得到一个原子，但并非所有实验每次都能产生一个原子的！

　　超铀元素在它们被发现后不久，就找到了极为重要的用途。正象我们已知道的，钚239是一种极为重要的裂变物质，可以用作核反应堆的燃料和原子弹的装药。另外还有几种超铀同位素如锔245、镅242(同核异能态)等也是裂变物质，而且它们的临界质量很小，如镅242(同核异能态)的临界质量就只有23克，因此可以用来制造具有特殊用途的超小型反应堆和原子弹。有人猜测，所谓的中子弹有可能是用这类超小型原子弹引爆的小型氢弹。

　　超铀元素的另一个重要用途是作为辐射能源，制造核电池。其中钚238制造的核电池已在地面、水下、太空和医学等许多方面得到了应用。例如美国“阿波罗”登月飞船的宇航员，曾先后把五个钚238制造的核电池安放在月球上，为月面科学试验站提供动力。这种核电池输出功率为70瓦左右，重不到20公斤，能在月面恶劣的环境中正常工作，使用寿命一年以上。又如以钚238为能源的心脏起博器，已在1970年首次植入人体，获得成功，现正在逐步推广。

　　超铀元素都是放射性的，许多超铀同位素都是性能优良的辐射源。例如镅241作为低能γ源，可用来进行X荧光分析；作为α源可用来创造火灾报警器、避雷器等；还可用来制造用途广泛的中子源。又如锎252，它自发裂变时放出大量的中子，是一种理想的中子源。可以制成每秒几个中子到每秒一百万亿个中子的不同强度的中子源。高强度的锎252中子源，在强度上可以与小型反应堆相匹敌，而且结构紧凑，便于携带。

　　从以上列举的几个简单例子，我们就可以看到，超铀元素的用途是多么重要、多么广泛，比起铀来，真可谓青出于蓝而胜于蓝了。

　　超铀元素的人工合成，使人们掌握了超铀元素的性质，从而给探索自然界超铀元素的工作指明了方向。

　　1942年，西博格等第一次确证了钚在自然界的存在。他们用共沉淀法和氧化—还原循环，从400克沥青铀矿中分离出了微量的钚239，并用放射化学法作了特征性鉴定。

　　按照钚239的半衰期(约24,000年)，原始的钚239是不可能在地球上存在的，它们早已“死绝”了。这就怪了，它们是从哪儿来的呢？原来，地球上天然放射性物质放出的α粒子，与轻元素发生核反应，会产生中子；宇宙射线中也有一些中子射到地球上来；铀和钍等很重的重元素发生自发裂变，也会放出一些中子。总之，地球上存在天然的中子源，这种中子与铀238作用，就会象在反应堆中那样，生成钚239。铀矿中的钚239就是以这种方式产生的，它的含量十分微小，一般只为铀的千亿～万亿分之一。

　　由于钚239是由铀238俘获中子而生成的，显然，也就说明镎239在自然界的存在，只是其含量比钚239还要低几个数量级。而存在量较大一些的是镎237(半衰期为214万年)，它是由铀238与快中子反应生成的。有人曾鉴定出，在某沥青铀矿中，镎237的含量约为铀的一万八千亿分之一。

　　上述的钚和镎的同位素，都是由天然核反应产生的(估计由天然核反应可能生成直至100号元素镄的一系列元素)，或许可以说它们不能算是真正的天然元素。但是有些超铀同位素却由于本身的半衰期相当长，而至今在地球上仍有微量存在。

　　钚244就是一例。钚244的半衰期为八千万年，约等于地球年龄的六十分之一，也就是说，从地球形成到现在，钚244的量已经减少了约2^60倍。而2^60与10^20。相接近，所以也可以说钚244的量减少了10^20倍。可见，目前地球上即使能找到钚244，其量也已经是微乎其微的了。

　　1971年，美国一个研究小组从约85公斤的氟碳铈镧矿中，分离出了极少量的钚244。他们先用萃取法纯化，得到9升原始溶液，再以钚236和钚242作示踪剂，用萃取法和离子交换法浓集钚244。钚244的量用质谱法测得为两千万个原子，相当于每吨氟碳铈镧矿约含一万亿分之一克。由于钚244的发现，就完全有理由认为钚是天然元素了。

　　另一个有可能独立地存在于地球上的超铀同位素是锔247。它的半衰期约为两亿五千万年。曾有人报道过，在较年轻的、铀235相对富集的矿物中，发现有锔247的痕迹，还发现有其衰变产物镅243和钚239的痕迹。

　　从以上叙述可以看到，随着科学技术的发展，既动摇了铀的最重元素的地位，也动摇了铀的最重天然元素的地位。但是至少从太阳系的范围而言，天然超铀元素的存在量是很微小的，能大量得到的天然元素仍数铀最重，至少目前还看不出提取比铀还重的天然元素会有什么实际价值。向元素周期表后面的发展，将依然是以铀为基础的。因此，称铀为最重的天然元素仍不失其合理性。

　　如果考察一下超铀元素的半衰期，我们就会看到，随着原子序数的增加，半衰期急剧地变短。据此推算，到了110号元素，其半衰期为十万分之一秒；到115号元素，半衰期就只有百亿分之一秒了。按照这种趋势，可能合成的新超铀元素的数目显然是已经屈指可数了，充其量不过十个左右。

　　看来，元素周期表很快就要到尽头了。但是，“山穷水尽疑无路，柳暗花明又一村”，根据现代核物理理论的推测，超铀元素的半衰期随着原子序数的增加而急剧下降以后，还有回升的可能性。即预测超铀元素的后面还存在一批很重的所谓“超重元素”，其半衰期可能为千百年，甚至长达几千万年、几十亿年。

　　超重元素的可能存在，主要是根据核结构的壳层模型推测的。我们先看一看原子结构的情况。在原子中随着核外电子一个壳层一个壳层的填充，元素的化学性质发生周期性的变化，形成了元素周期表中一个一个的周期。每个周期的结束元素，即惰性气体，具有满壳层的电子结构，核外电子数分别是2、10、18、36、54和86。它们显得特别稳定，一般不与其它元素起化学反应。

　　在原子核的结构方面，也有类似的情况。原子核内的质子数或中子数每增加到一定的数目时，就构成一个满壳层。具有满壳层的原子核特别稳定。满壳层的质子数或中子数称为壳层数或幻数。已知的质子和中子幻数是2、8、20、28、50和82，对于中子，126也是幻数。当原子核内质子数相中子数都是幻数时，则核就显得更为稳定，这种原子核称为双幻核。例如，氧16(由8个质子和8个中子组成)就是一个双幻核，它特别稳定，是地球上存在量最大的一个同位素。又如铅208(由82个质子和126个中子组成)也是一个双幻核，它是最重的一个稳定同位素。

　　计算结果表明，下一个质子幻数为114，中子幻数为184，因此原子序数(即质子数)为114、质量数(即质子数加中子数)为298的原子核是一个双幻核。这个双幻核应该具有特殊的稳定性。而推测围绕着这个双幻核，在原子序数为108～126、中子数为176～196区域内，可能存在一批比较稳定的超重核。这一区域通常形象地称为超重元素“稳定岛”。

　　我们可以想象，所有已知元素的同位素构成了一个稳定性半岛，山峰和山脊表示更高的稳定性。过了稳定性半岛，就是不稳定性海洋(即原子核寿命极短或根本不可能存在原子核的区域)，海中有一个孤岛，即所谓超重元素稳定岛，它表示存在一些相当稳定的超重核。

　　据推测，超重元素可以用来制作没有放射性的超小型核武器和无放射性的热核武器引爆装置。同时，超重元素的研究，将给某些自然科学学科带来新的突破，为元素周期律、原子核结构、元素起源和天体演化等等，提供更加充分的科学论证。

　　超重元素的研究具有如此重大的理论意义和实际意义，所以受到世界各国的普遍重视。从六十年代中期起，许多国家的科学家为了登上超重元素稳定岛，作了巨大的努力。这包括两方面的工作：一是用人工的方法合成超重元素，二是在自然界寻找天然存在的超重元素。

　　使用人工合成的方法要想登上稳定岛，就必须越过不稳定性海洋。这就意味着，除了用很重的元素作靶子外，还必须使用很重的离子作为轰击炮弹，使原子序数一下子就增加很多，直接进入稳定性超重区域。这就需要加速很重的、包括铀在内的重离子。为了能得到较为稳定的超重核，要选择合适的同位素作轰击炮弹和靶子，使生成的超重核的质子数和中子数都是幻数，或者接近幻数。为此，科学家们设计了各种类型的核反应。

　　有人认为，最有希望的一个反应应该是两个铀238核相互碰撞的核反应。不过据称，这个反应已经有人试过，结果是令人失望的。铀轰击铀，产生了许许多多的放射性同位素，唯独没有找到超重元素。

　　由于预言超重元素的半衰期可能长达一亿年，甚至一百亿年，这表明，它们也可能在自然界天然存在。因此，在试图人工合成超重元素的同时，探索天然超重元素的工作也在以一个更大的规模进行着。为了寻找天然存在的超重元素，科学家们采用了最先进的探测方法，找遍了天推海角。他们在各种特殊的矿物中找，在来自地球深处的温泉水中找，在大洋底部取出的锰结核中找，在月球上带回的岩石样品中找，在“天外来客”陨石和宇宙射线中找，总而言之，在一切被认为有希望找到超重元素的物质中找。

　　经过十多年的努力，虽然关于发现超重元素的消息不时传来，也曾掀起过一阵阵激动，但肯定的结果至今尚未得到。这可能是由于实验技术和探测手段目前尚未达到足够高水平的缘故，或许是因为理论预测是错误的，根本不存在什么超重元素的“稳定岛”，那当然就谈不上有什么“新大陆”可发现了。

　　但是退一步讲，即使是后一种情况，我们只要回忆一下从费米开始的探索超铀元素的过程，就不禁要问，难道超重元素的探索就决不可能引出比裂变现象更为重要的现象发现吗？要知道，费米那时是用中子轰击铀，而现在是用铀袭击铀—用最重的天然元素轰击最重的天然元素！