人造同位素

人造同位素

卢瑟福已经将自然界中一种已知的同位素氮14变成了另一种已知的同位素氧17。在确立了这种实验室演变的可能性之后，通过用高速运动的粒子轰击不同类型的原子即可引发其他核反应，从而生成其他已知的同位素。

但是元素的演变总是一定会生成已知的同位素吗？增加或减少粒子有没有可能生成质量数和电荷与任何天然存在的元素不同的核呢？ 1932年，旅居美国的拉脱维亚化学家格罗斯（Aristid V.Grosse，1905—1985)提出，也许存在这种可能性。

1934年，约里奥居里夫妇继续了卢瑟福的研究工作，用α粒子对各种元素进行轰击。他们以这种形式对铝进行轰击，结果不仅有质子被撞离铝核，而且在某些情况下，还有中子被撞离铝核。一旦轰击停止，从铝核中放出的质子和中子流也立刻停止。然而，使他们感到惊讶的是，有一类辐射（我们将在本书后面的内容中阐述)持续和衰减的时间就像一种放射性物质的辐射强度预期可能衰减的那样。他们甚至能计算出这种辐射的半衰期只有2.6分钟。

自然界中所有的铝原子，其原子序数为13，质量数为27。换句话说，它们的核都由13个质子和14个中子组成。如果加上1个α粒子（2个质子和2个中子)，撞离1个质子，那么新核就包含14个质子和16个中子，那就成了人们熟悉的同位素硅30。

但如果这时从核中被撞离的是一个中子，情况又会怎样呢？如果铝核（13个质子和14个中子)加上1个α粒子（2个质子和2个中子)，撞离1个中子，结果得到的新核由15个质子和15个中子组成，那就是磷30。然而，自然界中并不存在磷30。自然界中的磷原子都是磷31（15个质子和16个中子)，这是唯一稳定的磷同位素。磷30是放射性的，会很快蜕变（蜕变的方式我们将在后面阐述)成稳定的硅30。

磷30是第一个“人工”生成的同位素，它引出了人工放射性的概念。为此，约里奥居里夫妇共享了1935年的诺贝尔奖。

自从约里奥居里夫妇提出这种方法之后，人们通过各种核反应生成了许许多多不同类型的人工同位素。所有这些人工同位素都是放射性的，因此，人们把它们称为放射性同位素（radioactive isotopes或radioisotopes)。

所有存在的稳定同位素或接近稳定的同位素都是在地球的矿石中发现的。没有任何一种在实验室中生成的同位素具有足够长的半衰期，使它能从地球开始形成起至今仍然存在能被探测出来的数量。

所有已知元素都有放射性同位素。即便是氢这种最简单的元素也有放射性同位素氢3，它的核由1个质子和2个中子组成。有时候人们称它为氚（tritium，该词源于希腊语中“第三”这个单词)。它的半衰期为12.26年。氚是1934年由澳大利亚物理学家奥利芬特（Marcus Laurence Elwin Oliphant，1901—2000)在实验室中首先生成的。

在卢瑟福的开拓性工作完成之后的1/4个世纪里，科学家们一直在对原子进行艰苦的研究。他们将α粒子作为攻击的炮弹，这有它的长处。至少有一点，α粒子总是现成可以利用的。铀、钍和它们的几种蜕变产物（如镭)都会产生α粒子，因此，α粒子的供应总是很充足。

当然，也存在着不利因素。α粒子带有正电荷，就像原子核一样。（毕竟α粒子本身就是一个原子核。)这就意味着原子核会排斥α粒子。在α粒子撞上并进入一个原子核之前，它必须克服这种排斥力。这样就会消耗其部分能量，因而会降低其有效性。此外，被轰击的核质量愈大，斥力也就愈大，当超过某一特定值时，使用α粒子就根本不可能进入核中。

然而，一旦中子被发现以后，费米立刻意识到，这是一种新的独一无二的轰击粒子。假如我们能生成中子流，然后，用中子流去撞击石蜡，由于这些中子是不带电荷的，它们不会受到原子核的排斥。如果一个中子刚好朝着核的方向运动，即使它具有很低的能量，也能撞进核内。中子的发现使整个原子轰击技术发生了革命性的变化。

费米发现，假如使中子流穿过水或石蜡，许多中子会撞击到核，但是没有穿透而是被弹了回来，并在这个过程中损失了部分能量。最终，这些中子具有的能量通常仅能使中子以给定温度下对应的速度颤动。这些中子就变成了热中子或慢中子。费米发现，实际上正是这种慢中子才有可能被核吸收，而不是快中子。

费米还发现，当一个中子进入核内时，常常会放出β粒子（电子)。中子的加入会使核的质量数增加1，由于放出β粒子就会减去1个负电荷，也就是核电荷（即原子序数)加1。总之，用中子轰击一种特定的元素会生成原子序数比该元素更高的下一个元素。

1934年，费米想到，用中子轰击铀也许是件很有趣的事情。铀的原子序数为92，是当时已知的原子序数最大的元素。那么如果用中子轰击铀，使它放出β粒子，会不会形成自然界中未知的93号元素呢？

费米进行了有关实验，他似乎确实获得了93号元素。然而，实验又引出了复杂而又使人困惑的结果（我们将会在后面看到)，为了弄清他的发现，前后耗费了几年的时间。

与费米一起工作的意大利物理学家塞格雷（Emilio Segrè，1905—1989)确定，为了产生一个未知元素，没有必要用中子去轰击铀。当时正处于20世纪30年代中期，周期表中还有4个空格未填入元素，这些空格均代表未知的元素。其中原子序数最小的是43号元素。

1925年，包括诺达克（Walter Karl Friedrich Noddack，1893—1960)和塔克（Ida Eva Tacke，1896—1978)在内的一群德国化学家宣称他们发现了75号元素，并用德国境内莱茵河的拉丁语名字把它命名为铼。结果显示它是81个稳定元素中最后一个被发现的。他们还宣布已经发现了43号元素的踪迹，并用德国东部一个地区的名字将它命名为。

然而，这第二个结果却是一个错误的谎报，43号元素仍未被发现。塞格雷想，为什么不用中子去轰击钼（42号元素)，看看尚未被发现的43号元素能否被制造出来。

1937年，塞格雷来到美国，用新技术使中子轰击钼（这一点我们将在后面叙述)，他确实发现被轰击的材料中存在43号元素。然而，他不敢轻易给这种新元素命名，因为他不能肯定，一种人工生成的元素是否等同于在自然界中发现的元素。1947年，英籍德国化学家帕内特（Friedrich Adolf Paneth，1887—1958)坚持认为它们是等同的，而且这种观点也为人们所接受了。因此，塞格雷把43号元素命名为锝（technetium，该词源于希腊语中意为“人造的”这一单词)。

为了研究锝的特性，人们用一种又一种方法生成了足够多的锝，并发现它有3种同位素，而且具有相当长的寿命。其中寿命最长的是锝97（其核中包含43个质子和54个中子^[2])，其半衰期为2 600 000年。就人的生命周期而言，这种同位素的一个样品似乎是永久性的；在一个人的生命期间，哪怕只有一点点这种材料，它也不会蜕变完。虽然如此，锝的稳定同位素仍然不会存在，因为即使是最接近稳定的锝97的寿命也还是不够长，不可能从地球形成起，一直存在到现在。即使在地球形成早期的土壤中还存在大量的锝，至今仍不可能留下一丝一毫。这一点是显而易见的，因为锝的同位素不可能由任何其他寿命更长的放射性元素生成。

当时在元素周期表中还剩下3个空格，它们是61、85和87号元素。偶尔有人会宣称从某种矿石中发现了这3种元素，但结果显示所有的报告都是错误的。

然而，1947年，美国化学家科里尔（Charles D.Coryell，1912—1971)和他的同事用中子轰击铀之后，在铀的蜕变产物中找到了61号元素（有些东西我们很快就会谈到)。他们以希腊神话中的人物普罗米修斯（Prometheus)为这种元素命名，称它为钷（promethium)，因为是普罗米修斯从太阳上为人类带来了火，而这种元素是在像太阳火那样的核反应中发现的。钷的同位素没有一个是稳定的，即使是寿命最长的钷145（含61个质子和84个中子)，其半衰期也只有17.7年。

1939年，法国化学家佩雷（Marguerite Perey，1909—1975)找到了87号元素的细微踪迹，它是作为铀235的非常少的蜕变产物出现的。她以法国国名把该元素命名为钫（francium)。她找到的同位素是钫215（含87个质子和128个中子)。它的半衰期仅为百万分之一秒多一点，因此佩雷肯定不能探测到这种同位素本身。她探测到的是钫生成的能量非常高的α粒子（产生α粒子的物质其半衰期愈短，α粒子的能量就愈高)，可以从已知的同位素必须遵循的蜕变模式推导出钫的存在。即使是寿命最长的钫同位素钫223（含87个质子，136个中子)，其半衰期也只有21.8分钟。

1940年，塞格雷和其他人一起，用α粒子轰击铋（83号元素)，生成了85号元素。85号元素被命名为砹（astatine，源于希腊语中意为“不稳定”的单词)，因为它像1925年以来发现的所有其他元素一样，确实是不稳定的。其寿命最长的同位素砹210（含85个质子和125个中子)的半衰期也只有8.1小时。

到了1948年，从氢（1)至铀（92)的所有元素都已填入周期表，并且已经发现了铀以上的元素。费米认为他在1934年就已经用中子轰击铀而生成了93号元素，但是直到1940年它才由美国物理学家麦克米伦（Edwin Mattison McMillan，1907—1991)和埃布尔森（PhilipHauge Abelson，1913—2004)从被轰击的铀中分离出来。由于铀（uranium)是根据新发现的行星天王星（Uranus)的名字命名的，因此麦克米伦就将紧挨在铀后面的93号元素镎（neptunium)以位于天王星外围的海王星（Neptune)的名字命名。

镎237是该元素寿命最长的同位素，它的半衰期为2 140 000年。这样的寿命的确是够长的了，但是还不足以长到能在地球表面的地壳中留下一点点的镎，即使一开始就有很多镎也不行。尽管如此，镎237还是有它的有趣之处，因为它的蜕变是通过一系列的中间化合物来完成的，与铀238、铀235和钍232一样。

事实上镎237是前面提及的第4个放射系。它和它所有的蜕变产物的质量数被4整除后余数均为1。在周期表靠上的区域中，只可能有4种放射系：钍（余数为0)，镎237（余数为1)，铀238（余数为2)和铀235（余数为3)。这些元素中，目前在地球上还存在的有3种，但镎237却已经消失了。因为，在这一放射系中即使是寿命最长的元素，其半衰期也不足以长到目前还能在我们周围发现其同位素。

关于镎237放射系的另外一件奇特的事便是，它是唯一不以稳定同位素铅作为蜕变最终产物的元素。它的最终产物是铋209——铋唯一的稳定同位素。

1940年，美国物理学家西博格（Glenn Theodore Seaborg，1912—1999)与麦克米伦合作发现，某种镎的同位素会放出β粒子，变成质量数相同，但原子序数比原来大1的同位素。这样，他们便发现了94号元素，并以海王星后面的行星冥王星（Pluto)来将其命名为钚（plutonium)。它的寿命最长的同位素是钚244（含94个质子和150个中子)，其半衰期为82 000 000年。麦克米伦和西博格由于发现了超铀（即原子序数超过铀)元素而获得了1951年的诺贝尔奖。

麦克米伦继续进行其他研究，而西博格和其他一些人则继续生成更多的元素。他们已经分离出了下列超钚元素：

镅（为了纪念美国)，其原子序数为95。它的寿命最长的同位素是镅243（含95个质子和148个中子)，半衰期为7.370年。

锔（为了纪念居里一家)，其原子序数为96。它的寿命最长的同位素是锔247（含96个质子和151个中子)，半衰期为15 600 000年。

锫（该元素是在加利福尼亚州的伯克利发现的)，其原子序数为97。它的寿命最长的同位素是锫247（含97个质子和150个中子)，半衰期为1 400年。

钘（该元素是在美国加利福尼亚州发现的)，其原子序数为98。它的寿命最长的同位素是钘251（含98个质子和153个中子)，半衰期为890年。

锿（为了纪念爱因斯坦)，其原子序数为99。它的寿命最长的同位素是锿252（含99个质子和153个中子)，半衰期为1.29年。

镄（为了纪念费米)，其原子序数为100。它的寿命最长的同位素是镄257（含100个质子和157个中子)，半衰期为100.5天。

钔（为了纪念门捷列夫)，其原子序数为101。它的寿命最长的同位素是钔258（含101个质子和157个中子)，半衰期为56天。

锘（为了纪念诺贝尔奖的创立者诺贝尔)，其原子序数为102。至今已探测到的寿命最长的同位素是锘259（含102个质子和157个中子)，半衰期为58分钟。

铹（为了纪念本书后面将要提到的劳伦斯)，其原子序数为103。至今已探测到的寿命最长的同位素是铹260（含103个质子和157个中子)，半衰期为3分钟。（

为了纪念卢瑟福)，其原子序数为104。至今已探测到的寿命最长的同位素是261（含104个质子和157个中子)，半衰期为65秒。（为了纪念哈恩)，其原子序数为105。至今已探测到的寿命最长的同位素是262（含105个质子和157个中子)，半衰期为34秒。

106号元素也已被发现，但由于有两个小组各自声称是自己发现的，而且始终没有达成协议，因此至今仍无正式的名称。至今已探测到的寿命最长的同位素其质量数为263（含106个质子和157个中子)，半衰期为0.8秒。

现在还不能肯定科学家们能够再走多远。随着原子序数的不断提高，元素已经很难生成，因为它们的半衰期愈来愈短，很难进行研究。然而，人们迫切想要找到110号和114号元素，因为有极具说服力的观点认为这些元素的一些同位素会具有较长的寿命，甚至是稳定的。

【注释】

[1]原文为质子—中子对，有误。——译者

[2]原文为55个中子，有误。——译者