原子云中的发现

6.原子云中的发现

99号和100号元素是在南太平洋被发现的。1952年11月，那里发生了骇人听闻的大爆炸。那是第一次氢弹实验，利用核分裂连锁反应使热核熔合而发生的。这个爆炸在岛上留下了直径1英里的大洞，产生了直径100英里、高度10英里、带着放射能的巨大云块。

实验结束以后，研究者们派遣电波操纵的无人飞机飞往产生的云块中收集标本，分析生成物，从而了解爆炸发生的过程。结果在实验室里发现了十分异常的科学产物。科学家们发现氢弹里有一部分铀原子竟吸收了17个中子之多！铀的正常重量是238，可是氢弹爆炸后有些铀原子的重量达到了255，变成了极重的铀原子。

极重的铀原子陆续放出电子变成各种超铀同位素，其中也包含99号和100号元素的同位素。那些一连串的反应，略去中间部分，用关系式表示为：

99号和100号元素是从氢弹爆炸所产生的庞大尘埃中分离出来而被发现的。为了向爱因斯坦和Fermi致敬，科学家们将99号元素命名为“锿，Einsteinium”，将100号元素命名为“镄，Fermium”。

无人飞机上装有可以吸附物质的滤纸，为了收集尽可能多的新元素，从事这项实验的科学家们不仅要用化学方法分离出滤纸上的物质，还要处理从现场收集的好几吨的珊瑚。

1952年11月在Eniwetok环礁举行的第一次氢弹实验

与发现99号和100号元素的过程一样，20世纪50年代的大部分研究都是团体合作的成果。

利用原子炉生产超铀元素

除了氢弹实验，还可别的方法制造出锿和镄的同位素。其中一种方法是利用原子炉造出强中子流，供照射使用。在爱达华州的“材料实验炉”的原子炉中心放入要接受照射的标本。下面的照片就是那种原子炉的模型。

在爱达华州的材料实验炉模型

以被铅套住的钚金属和其他金属的合金做标本，并将其制成圆筒状，这是因为核分裂所产生的热在筒内便于吸收。

在原子炉内，一部分钚吸收中子而衰变成镅。镅再吸收中子，衰变成锔。这样逐次反复吸收中子、衰变而成为更重的元素。这一连串的反应用关系式表示为：

以上两种制造重元素的方法的基本差异就在于发生反应所用的时间上。热核熔合铀的反应只需要一百万分之一秒就可以发生。而在钚的小圆筒中，钚的原子核需要两年甚至更长的时间才能充分发生反应生成各种同位素。

用钚做的小圆筒如图所示。

这个实验除了制造超铀元素，还生成了无数的钚的核分裂生成物。这些放射性核分裂生成物都是比铀轻的元素的同位素，它们会产生危险的放射能，因此从事这项工作要特别小心。

用钚做的小圆筒。

用中子照射它制造种种超铀元素

遥控的洞穴实验室

综上所述，需要建造一个特殊设计的新型实验室，就像劳伦斯射线研究所的“洞穴实验室”那样。

在那个实验室里，研究人员在很厚的射线防御物后面利用遥控的机械手进行必要的操作。洞穴实验室里有3个独立的金属箱子，被遥控的机械手就是在这些箱子里进行危险的化学操作的。为了保障安全，箱子被9英寸厚的铅围着，与外界隔离。另外人们要通过9英寸厚的高密度铅玻璃窗才能看到里面的操作。

箱子是气密的，自身可以调节气压和温度。箱子内部保持稍低的气压，这样一旦发生泄漏，只会使外面的空气涌进箱中，而里面的物质不会流出来。

对熟练的实验技术者来说，机械手实际上就是他们手指的延长：可以操作机械手将试管移到别的地方、给瓶子盖木栓、倒溶液、操作电灯或夹子，甚至用布拭干洒在箱底的溶液等都运用自如，非常方便。

这些装置都是为了分离那种罕有、微量的合成元素如镅、锫、锿而设计的。这些微量物质与大量的高放射性核分裂生成物混合在一起，存在于被中子照射过的钚小圆筒里面。

超铀元素的大量生产

1956年10月，化学家们开始大量生产较重的合成元素。他们已经预先详细研究并设计了这项工作所需的一连串化学操作。同时，他们还进行了好几个月的以机械手操作小圆筒的模拟练习。

在原子炉中放入10个小圆筒，用中子持续照射两年。然后将小圆筒装进一个铅制的容器，并把它们空运到柏克莱，运入与外界严密隔绝的洞穴实验室，并慎重地将其缓慢移到前面所说的金属箱子的下面。关上实验室的门，从外面进行遥控操作：打开金属箱底部的入口，从容器中取出比同重量的金贵好几千倍的小圆筒，把它吊上，放进上面的金属箱。这是第一个操作。

用机械手取出一个圆筒放进碱溶液中。小圆筒遇到溶液，一部分会溶化。再将溶化后的深灰色液体倒进聚乙烯的蒸馏器搁在一旁，对其他9个小圆筒也重复这样的操作。然后将10个小圆筒溶化后的深灰色液体放进圆锥形的玻璃容器，再把容器放进离心机。离心机以每分钟1500转的速度回转。在离心机的作用下，成为水氧化物的重元素会聚集到容器的底部。

小圆筒中的铝和钚等在核分裂时会产生许多放射性物质，这些物质中包含着地球上大约半数元素的各种同位素，因此需要将超铀元素从这些物质中分离出来。

经过离心机的处理，圆锥容器中较轻的液体会漂在上面，可将其除掉。再将剩下的较重液体放进离心机，继续除去其中较轻部分液体。这样反复几次就可以提高较重元素的比率，尽可能彻底地除去核分裂生成物的放射能。

将最后得到的含有较重元素的沉淀物转移到第二个金属箱，在这个金属箱里使用圆筒色层分析法分离元素。各金属箱之间是用空气闸门连接的，可以互通。关于圆筒色层分析法，前面已经有所介绍。利用这个方法，将那些溶液倒进装有有机物的圆筒，重的元素会留在圆筒中，而溶液里面没有被除去的核分裂生成物就会很快被分离出来。

将最后得到的标本接到白金制的计数板上，将其弄干后用鼓动分析器检验。鼓动分析器是通过检测放射线的能量来辨别放射性元素的装置。这样可以确认标本中元素的种类。鼓动分析器与大嵌板上的计量表或其他记录装置连接起来，每一个计量表都会记录各种元素的原子核衰变。

99号元素锿就是利用这种小圆筒于1956年10月被大量造出来的。不过在前一年已经使用同样方法小规模地造过锿。将那些锿放进60英寸的回旋加速器中，用氢离子撞击它，就可以造出101号元素“钔”。

Albert Ghiorso和Bernard G.Harvey

钔的半衰期只有30分钟，科学家们为了发现它，就必须在实验室里跑步做研究，尽可能地节省时间。因此有人开玩笑：为了发现元素“钔”，科学家们需要先去练轻功。1955年初，Ghiorso、Harvey、Thomson、Seaborg等人在Berkeley发现并确认了钔。

我们请Ghiorso、Harvey、Thomson等几位对钔的发现经过和制造新元素的技巧做一个讲解。

追逐十七个原子

用氦的原子核撞击99号元素锿，造出了新元素钔。核反应很简单，如下：

我们用加州大学柏克莱的60英寸回旋加速器，以氦原子核照射来做这个实验。将很薄的圆形金箔制成靶心，背面是一层电镀的锿，非常薄，只有数亿个原子的厚度。将其放入回旋加速器，用加速的氦原子核撞击靶心。

靶心背面的锿原子受到氦原子核的撞击会变成钔并被撞出金箔外，因此在第一个靶心后面再放一个靶心就可以截住飞出的钔原子。

这两个靶心被固定在同一个架台，放在回旋加速器内容易被阿尔法粒子撞到的地方。

氦原子核在磁铁的作用下绕着螺旋形轨道做加速运动。磁铁的磁性很强，螺丝起子在磁极中间直立不动，较重的铁片会悬挂于半空中。

氦原子核被充分加速以后就会飞出回旋加速器，形成氦原子流去撞击靶心。靶心上的锿原子受到撞击以后，锿原子核就会吸收2个质子，变成带有101个质子的钔原子。氦原子核飞出回旋加速器时会产生浅蓝色的光线，也就是氦离子流。照片是透过5英尺厚的水槽（回旋加速器的窗门）所拍的。

镀了锿的金箔靶心

为了实地录像，我们重新做了一次实验。用阿尔法粒子撞击靶心的时候，将回旋加速器室整个关闭。Harvey和Ghiorso在门外等待，这个门实际上就是可以推动轮子的大水槽。

其实我们更像是在等待前所未闻的障碍赛号令。据推测，这次实验可以造出一个或两个101号元素的原子。这也就是说，在短短30分钟内，我们要从几十亿个锿原子中找到那一两个101号元素的原子。

从60英寸回旋加速器飞出来的强力氦原子核流水平向左的青白色光

一听到信号声，Harvey和Ghiorso就推开装满水的门，跑进回旋加速容器室。Harvey迅速取出架台交给Ghiorso，Ghiorso把架台上的第二个金箔装进试管，穿过走廊，跑上楼梯，冲进临时实验室将试管交给Chopin。Chopin马上把它放进溶液加热，使金箔溶化。所得到的溶液中含有合金、其他几种元素以及我们所期待的钔元素。接下来的化学处理需要在距离一英里远的射线研究所进行，而Harvey早已在外面发动好引擎，在车上等着。

把溶液倒进色层分析装置的

Stanley 138G.Thomson

将白金板上的溶液弄干

既然在实验中已经生成了罕有且微量的101号元素钔，那么我们就需要在它衰变之前将其分离出来。钔的寿命非常短暂，差不多30分钟后就会有半量的钔衰变为镄。而镄在很短的时间内也会自然地发生核分裂而再衰变。

汽车载着贵重溶液全速开往山上的实验室。当Harvey和Chopin到达实验室的时候，Thomson已将分离钔所需的装置准备齐全。

把溶液倒进色层分析装置

在第一个色层分析圆筒内倒入溶液，溶液中含有的金会停留在圆筒内，其他的元素与溶液一起顺着圆筒滴出来，这样就首先除去了金。将滴出的溶液弄干再重新溶化，然后倒进第二个色层分析圆筒。同样，溶液会顺着圆筒一滴一滴地流出，每一滴溶液都单独用一块白金板接住。将溶液加热弄干，然后把白金板一个一个放进特别设计的计数管内。只要有一滴溶液中含有钔原子，就一定可以在其衰变之前将其检验出来。而如果其中有一个原子衰变成镄的话，镄会立即发生自然核分裂，核分裂产生的带有高能量的碎片会引起爆炸性电离，电离产生的电流会使记录表上的笔尖发生剧烈跳动，画出不同于普通衰变的线条。

像镄这种难以捉摸的重元素有一点特征是不太合逻辑的，就是只有在它衰变成其他元素的瞬间才能得到它存在的证据。这种现象就像是一个人在付钱的时候才知道自己有多少钱，而当他刚知道自己有这些钱的时候，钱已经被用掉了。

在第一次实验中，我们用了一个小时以上的时间才等到了第一个钔原子衰变的证据：笔尖在记录纸中间跳动了一下画出了一条线。

这在射线研究所里是一件大事，我们把计数管接上大厅的火灾警报器，只要有一个钔原子发生衰变，警报就会大响一下，这样大家都会知道原子核里发生了大事。可是这种措施立刻遭到了消防队的干预，我们不得不换一个轻一点的信号。

刚开始时，每做一次实验只能得到一个钔原子，后来的实验中得到的钔原子有所增加。我们一共做了12次同样的实验，一共得到了17个钔原子。

照片是第一次实验所用的记录纸，记录了第一个钔原子的衰变过程。

初次将钔的衰变记录下来的记录纸

102号和103号元素

1951年，斯德哥尔摩的诺贝尔物理学研究所声明发现了102号元素，并将其命名为锘（Nobelium）。但为了证明这一点所做的几次实验都没有成功。直到1958年4月，柏克莱的劳伦斯射线研究所用碳离子（6个质子）撞击锔原子（96个质子）而造出了102元素锘，并且对它做出了确认。用这种方法造出了102号元素的同位素，质量数为254，半衰期只有3秒钟。

柏克莱的重离子线形加速装置（Hilac）

这个实验是利用柏克莱的新型加速器Hilac来加速碳离子的。Hilac这个名称取自“重离子线形加速装置，（heavy ion linear accelerator）的头一个字母。线形加速装置与回转加速器或质子加速器不同。无论是回转加速器还是质子加速器，它们都是通过旋转粒子而使其加速的，而线形加速装置则是通过使粒子直飞而加速的装置。

当然化学家们仍会继续努力制造第103号元素。如果能够发现这种元素，就可以证明它的化学性质跟镥相似。

1961年，Ghiorso等人在劳伦斯射线研究所用硼离子（5个质子）撞击锎（98个质子）造出了103元素，这个实验也是借助Hilac来加速粒子的。103号元素被命名为铹（Lawrcium），取自Arnest E.Lawrence的名字。

尚未发现的元素

103号元素的发现表示锕系列已告完整。

接下来是104号元素，应该排在锕系列之后，与铪、锆、钛位于同一直列，属于同一族。同样，105号元素的化学性质应该与钽、铌、钒等相似。105号之后的元素越来越重，一直到118号元素，可能都依这种顺序位于同一横行。

当然，造出这么多元素的可能性并不大，因为越重的元素越不稳定。

尽管如此，104号和105号这样的元素还是有可能造出来的。这些元素的半衰期尚可让化学家们有时间去确认它们的存在。而要想造出比104号、105号元素更重的少数元素，就必须使用非常复杂的方法。

用什么方法可以将那些重元素制造出来呢？

与合成102号和103号元素所采用的方法一样，就是用重离子去撞击而生成新元素，也就是用我们熟悉的重离子代替只有两个质子的氦原子核，譬如氮原子核。氮原子核中有7个质子，如果用它来撞击锔（96个质子），就很有可能生成103号元素（103个质子）。也可以用氖的原子核。用氖的原子核撞击钚，钚的94个质子再加上氖的10个质子从而转变成104号元素。第一次造出102号元素就是使用6个质子的碳原子核撞击96个质子的锔的方法。

于是好几处研究所都在建造加速器，用于加速重离子。柏克莱的Hilac就是其中的一个，它可以把氖离子或更重的粒子加速使其去撞击靶心。

“Hilac”的内部和站在里面的人

照片上显示的是Hilac的内部，由此可看出这种加速装置需要巨大的真空空间（内部要保持高度的真空）。粒子在那样的真空中飞驰并被加速。

使用这种加速装置就有可能造出更重的元素，同时也可以增加我们对原子及原子核本质的认识。这也是科学家们一直所期望的。