原子云中的發(fā)現(xiàn)
6.原子云中的發(fā)現(xiàn)
99號和100號元素是在南太平洋被發(fā)現(xiàn)的。1952年11月,那里發(fā)生了駭人聽聞的大爆炸。那是第一次氫彈實驗,利用核分裂連鎖反應(yīng)使熱核熔合而發(fā)生的。這個爆炸在島上留下了直徑1英里的大洞,產(chǎn)生了直徑100英里、高度10英里、帶著放射能的巨大云塊。
實驗結(jié)束以后,研究者們派遣電波操縱的無人飛機(jī)飛往產(chǎn)生的云塊中收集標(biāo)本,分析生成物,從而了解爆炸發(fā)生的過程。結(jié)果在實驗室里發(fā)現(xiàn)了十分異常的科學(xué)產(chǎn)物??茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)氫彈里有一部分鈾原子竟吸收了17個中子之多!鈾的正常重量是238,可是氫彈爆炸后有些鈾原子的重量達(dá)到了255,變成了極重的鈾原子。
極重的鈾原子陸續(xù)放出電子變成各種超鈾同位素,其中也包含99號和100號元素的同位素。那些一連串的反應(yīng),略去中間部分,用關(guān)系式表示為:
99號和100號元素是從氫彈爆炸所產(chǎn)生的龐大塵埃中分離出來而被發(fā)現(xiàn)的。為了向愛因斯坦和Fermi致敬,科學(xué)家們將99號元素命名為“锿,Einsteinium”,將100號元素命名為“鐨,F(xiàn)ermium”。
無人飛機(jī)上裝有可以吸附物質(zhì)的濾紙,為了收集盡可能多的新元素,從事這項實驗的科學(xué)家們不僅要用化學(xué)方法分離出濾紙上的物質(zhì),還要處理從現(xiàn)場收集的好幾噸的珊瑚。
1952年11月在Eniwetok環(huán)礁舉行的第一次氫彈實驗
與發(fā)現(xiàn)99號和100號元素的過程一樣,20世紀(jì)50年代的大部分研究都是團(tuán)體合作的成果。
利用原子爐生產(chǎn)超鈾元素
除了氫彈實驗,還可別的方法制造出锿和鐨的同位素。其中一種方法是利用原子爐造出強(qiáng)中子流,供照射使用。在愛達(dá)華州的“材料實驗爐”的原子爐中心放入要接受照射的標(biāo)本。下面的照片就是那種原子爐的模型。
在愛達(dá)華州的材料實驗爐模型
以被鉛套住的钚金屬和其他金屬的合金做標(biāo)本,并將其制成圓筒狀,這是因為核分裂所產(chǎn)生的熱在筒內(nèi)便于吸收。
在原子爐內(nèi),一部分钚吸收中子而衰變成镅。镅再吸收中子,衰變成鋦。這樣逐次反復(fù)吸收中子、衰變而成為更重的元素。這一連串的反應(yīng)用關(guān)系式表示為:
以上兩種制造重元素的方法的基本差異就在于發(fā)生反應(yīng)所用的時間上。熱核熔合鈾的反應(yīng)只需要一百萬分之一秒就可以發(fā)生。而在钚的小圓筒中,钚的原子核需要兩年甚至更長的時間才能充分發(fā)生反應(yīng)生成各種同位素。
用钚做的小圓筒如圖所示。
這個實驗除了制造超鈾元素,還生成了無數(shù)的钚的核分裂生成物。這些放射性核分裂生成物都是比鈾輕的元素的同位素,它們會產(chǎn)生危險的放射能,因此從事這項工作要特別小心。
用钚做的小圓筒。
用中子照射它制造種種超鈾元素
遙控的洞穴實驗室
綜上所述,需要建造一個特殊設(shè)計的新型實驗室,就像勞倫斯射線研究所的“洞穴實驗室”那樣。
在那個實驗室里,研究人員在很厚的射線防御物后面利用遙控的機(jī)械手進(jìn)行必要的操作。洞穴實驗室里有3個獨立的金屬箱子,被遙控的機(jī)械手就是在這些箱子里進(jìn)行危險的化學(xué)操作的。為了保障安全,箱子被9英寸厚的鉛圍著,與外界隔離。另外人們要通過9英寸厚的高密度鉛玻璃窗才能看到里面的操作。
箱子是氣密的,自身可以調(diào)節(jié)氣壓和溫度。箱子內(nèi)部保持稍低的氣壓,這樣一旦發(fā)生泄漏,只會使外面的空氣涌進(jìn)箱中,而里面的物質(zhì)不會流出來。
對熟練的實驗技術(shù)者來說,機(jī)械手實際上就是他們手指的延長:可以操作機(jī)械手將試管移到別的地方、給瓶子蓋木栓、倒溶液、操作電燈或夾子,甚至用布拭干灑在箱底的溶液等都運用自如,非常方便。
這些裝置都是為了分離那種罕有、微量的合成元素如镅、锫、锿而設(shè)計的。這些微量物質(zhì)與大量的高放射性核分裂生成物混合在一起,存在于被中子照射過的钚小圓筒里面。
超鈾元素的大量生產(chǎn)
1956年10月,化學(xué)家們開始大量生產(chǎn)較重的合成元素。他們已經(jīng)預(yù)先詳細(xì)研究并設(shè)計了這項工作所需的一連串化學(xué)操作。同時,他們還進(jìn)行了好幾個月的以機(jī)械手操作小圓筒的模擬練習(xí)。
在原子爐中放入10個小圓筒,用中子持續(xù)照射兩年。然后將小圓筒裝進(jìn)一個鉛制的容器,并把它們空運到柏克萊,運入與外界嚴(yán)密隔絕的洞穴實驗室,并慎重地將其緩慢移到前面所說的金屬箱子的下面。關(guān)上實驗室的門,從外面進(jìn)行遙控操作:打開金屬箱底部的入口,從容器中取出比同重量的金貴好幾千倍的小圓筒,把它吊上,放進(jìn)上面的金屬箱。這是第一個操作。
用機(jī)械手取出一個圓筒放進(jìn)堿溶液中。小圓筒遇到溶液,一部分會溶化。再將溶化后的深灰色液體倒進(jìn)聚乙烯的蒸餾器擱在一旁,對其他9個小圓筒也重復(fù)這樣的操作。然后將10個小圓筒溶化后的深灰色液體放進(jìn)圓錐形的玻璃容器,再把容器放進(jìn)離心機(jī)。離心機(jī)以每分鐘1500轉(zhuǎn)的速度回轉(zhuǎn)。在離心機(jī)的作用下,成為水氧化物的重元素會聚集到容器的底部。
小圓筒中的鋁和钚等在核分裂時會產(chǎn)生許多放射性物質(zhì),這些物質(zhì)中包含著地球上大約半數(shù)元素的各種同位素,因此需要將超鈾元素從這些物質(zhì)中分離出來。
經(jīng)過離心機(jī)的處理,圓錐容器中較輕的液體會漂在上面,可將其除掉。再將剩下的較重液體放進(jìn)離心機(jī),繼續(xù)除去其中較輕部分液體。這樣反復(fù)幾次就可以提高較重元素的比率,盡可能徹底地除去核分裂生成物的放射能。
將最后得到的含有較重元素的沉淀物轉(zhuǎn)移到第二個金屬箱,在這個金屬箱里使用圓筒色層分析法分離元素。各金屬箱之間是用空氣閘門連接的,可以互通。關(guān)于圓筒色層分析法,前面已經(jīng)有所介紹。利用這個方法,將那些溶液倒進(jìn)裝有有機(jī)物的圓筒,重的元素會留在圓筒中,而溶液里面沒有被除去的核分裂生成物就會很快被分離出來。
將最后得到的標(biāo)本接到白金制的計數(shù)板上,將其弄干后用鼓動分析器檢驗。鼓動分析器是通過檢測放射線的能量來辨別放射性元素的裝置。這樣可以確認(rèn)標(biāo)本中元素的種類。鼓動分析器與大嵌板上的計量表或其他記錄裝置連接起來,每一個計量表都會記錄各種元素的原子核衰變。
99號元素锿就是利用這種小圓筒于1956年10月被大量造出來的。不過在前一年已經(jīng)使用同樣方法小規(guī)模地造過锿。將那些锿放進(jìn)60英寸的回旋加速器中,用氫離子撞擊它,就可以造出101號元素“鍆”。
Albert Ghiorso和Bernard G.Harvey
鍆的半衰期只有30分鐘,科學(xué)家們?yōu)榱税l(fā)現(xiàn)它,就必須在實驗室里跑步做研究,盡可能地節(jié)省時間。因此有人開玩笑:為了發(fā)現(xiàn)元素“鍆”,科學(xué)家們需要先去練輕功。1955年初,Ghiorso、Harvey、Thomson、Seaborg等人在Berkeley發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)了鍆。
我們請Ghiorso、Harvey、Thomson等幾位對鍆的發(fā)現(xiàn)經(jīng)過和制造新元素的技巧做一個講解。
追逐十七個原子
用氦的原子核撞擊99號元素锿,造出了新元素鍆。核反應(yīng)很簡單,如下:
我們用加州大學(xué)柏克萊的60英寸回旋加速器,以氦原子核照射來做這個實驗。將很薄的圓形金箔制成靶心,背面是一層電鍍的锿,非常薄,只有數(shù)億個原子的厚度。將其放入回旋加速器,用加速的氦原子核撞擊靶心。
靶心背面的锿原子受到氦原子核的撞擊會變成鍆并被撞出金箔外,因此在第一個靶心后面再放一個靶心就可以截住飛出的鍆原子。
這兩個靶心被固定在同一個架臺,放在回旋加速器內(nèi)容易被阿爾法粒子撞到的地方。
氦原子核在磁鐵的作用下繞著螺旋形軌道做加速運動。磁鐵的磁性很強(qiáng),螺絲起子在磁極中間直立不動,較重的鐵片會懸掛于半空中。
氦原子核被充分加速以后就會飛出回旋加速器,形成氦原子流去撞擊靶心。靶心上的锿原子受到撞擊以后,锿原子核就會吸收2個質(zhì)子,變成帶有101個質(zhì)子的鍆原子。氦原子核飛出回旋加速器時會產(chǎn)生淺藍(lán)色的光線,也就是氦離子流。照片是透過5英尺厚的水槽(回旋加速器的窗門)所拍的。
鍍了锿的金箔靶心
為了實地錄像,我們重新做了一次實驗。用阿爾法粒子撞擊靶心的時候,將回旋加速器室整個關(guān)閉。Harvey和Ghiorso在門外等待,這個門實際上就是可以推動輪子的大水槽。
其實我們更像是在等待前所未聞的障礙賽號令。據(jù)推測,這次實驗可以造出一個或兩個101號元素的原子。這也就是說,在短短30分鐘內(nèi),我們要從幾十億個锿原子中找到那一兩個101號元素的原子。
從60英寸回旋加速器飛出來的強(qiáng)力氦原子核流水平向左的青白色光
一聽到信號聲,Harvey和Ghiorso就推開裝滿水的門,跑進(jìn)回旋加速容器室。Harvey迅速取出架臺交給Ghiorso,Ghiorso把架臺上的第二個金箔裝進(jìn)試管,穿過走廊,跑上樓梯,沖進(jìn)臨時實驗室將試管交給Chopin。Chopin馬上把它放進(jìn)溶液加熱,使金箔溶化。所得到的溶液中含有合金、其他幾種元素以及我們所期待的鍆元素。接下來的化學(xué)處理需要在距離一英里遠(yuǎn)的射線研究所進(jìn)行,而Harvey早已在外面發(fā)動好引擎,在車上等著。
把溶液倒進(jìn)色層分析裝置的
Stanley 138G.Thomson
將白金板上的溶液弄干
既然在實驗中已經(jīng)生成了罕有且微量的101號元素鍆,那么我們就需要在它衰變之前將其分離出來。鍆的壽命非常短暫,差不多30分鐘后就會有半量的鍆衰變?yōu)殓?。而鐨在很短的時間內(nèi)也會自然地發(fā)生核分裂而再衰變。
汽車載著貴重溶液全速開往山上的實驗室。當(dāng)Harvey和Chopin到達(dá)實驗室的時候,Thomson已將分離鍆所需的裝置準(zhǔn)備齊全。
把溶液倒進(jìn)色層分析裝置
在第一個色層分析圓筒內(nèi)倒入溶液,溶液中含有的金會停留在圓筒內(nèi),其他的元素與溶液一起順著圓筒滴出來,這樣就首先除去了金。將滴出的溶液弄干再重新溶化,然后倒進(jìn)第二個色層分析圓筒。同樣,溶液會順著圓筒一滴一滴地流出,每一滴溶液都單獨用一塊白金板接住。將溶液加熱弄干,然后把白金板一個一個放進(jìn)特別設(shè)計的計數(shù)管內(nèi)。只要有一滴溶液中含有鍆原子,就一定可以在其衰變之前將其檢驗出來。而如果其中有一個原子衰變成鐨的話,鐨會立即發(fā)生自然核分裂,核分裂產(chǎn)生的帶有高能量的碎片會引起爆炸性電離,電離產(chǎn)生的電流會使記錄表上的筆尖發(fā)生劇烈跳動,畫出不同于普通衰變的線條。
像鐨這種難以捉摸的重元素有一點特征是不太合邏輯的,就是只有在它衰變成其他元素的瞬間才能得到它存在的證據(jù)。這種現(xiàn)象就像是一個人在付錢的時候才知道自己有多少錢,而當(dāng)他剛知道自己有這些錢的時候,錢已經(jīng)被用掉了。
在第一次實驗中,我們用了一個小時以上的時間才等到了第一個鍆原子衰變的證據(jù):筆尖在記錄紙中間跳動了一下畫出了一條線。
這在射線研究所里是一件大事,我們把計數(shù)管接上大廳的火災(zāi)警報器,只要有一個鍆原子發(fā)生衰變,警報就會大響一下,這樣大家都會知道原子核里發(fā)生了大事。可是這種措施立刻遭到了消防隊的干預(yù),我們不得不換一個輕一點的信號。
剛開始時,每做一次實驗只能得到一個鍆原子,后來的實驗中得到的鍆原子有所增加。我們一共做了12次同樣的實驗,一共得到了17個鍆原子。
照片是第一次實驗所用的記錄紙,記錄了第一個鍆原子的衰變過程。
初次將鍆的衰變記錄下來的記錄紙
102號和103號元素
1951年,斯德哥爾摩的諾貝爾物理學(xué)研究所聲明發(fā)現(xiàn)了102號元素,并將其命名為锘(Nobelium)。但為了證明這一點所做的幾次實驗都沒有成功。直到1958年4月,柏克萊的勞倫斯射線研究所用碳離子(6個質(zhì)子)撞擊鋦原子(96個質(zhì)子)而造出了102元素锘,并且對它做出了確認(rèn)。用這種方法造出了102號元素的同位素,質(zhì)量數(shù)為254,半衰期只有3秒鐘。
柏克萊的重離子線形加速裝置(Hilac)
這個實驗是利用柏克萊的新型加速器Hilac來加速碳離子的。Hilac這個名稱取自“重離子線形加速裝置,(heavy ion linear accelerator)的頭一個字母。線形加速裝置與回轉(zhuǎn)加速器或質(zhì)子加速器不同。無論是回轉(zhuǎn)加速器還是質(zhì)子加速器,它們都是通過旋轉(zhuǎn)粒子而使其加速的,而線形加速裝置則是通過使粒子直飛而加速的裝置。
當(dāng)然化學(xué)家們?nèi)詴^續(xù)努力制造第103號元素。如果能夠發(fā)現(xiàn)這種元素,就可以證明它的化學(xué)性質(zhì)跟镥相似。
1961年,Ghiorso等人在勞倫斯射線研究所用硼離子(5個質(zhì)子)撞擊锎(98個質(zhì)子)造出了103元素,這個實驗也是借助Hilac來加速粒子的。103號元素被命名為鐒(Lawrcium),取自Arnest E.Lawrence的名字。
尚未發(fā)現(xiàn)的元素
103號元素的發(fā)現(xiàn)表示錒系列已告完整。
接下來是104號元素,應(yīng)該排在錒系列之后,與鉿、鋯、鈦位于同一直列,屬于同一族。同樣,105號元素的化學(xué)性質(zhì)應(yīng)該與鉭、鈮、釩等相似。105號之后的元素越來越重,一直到118號元素,可能都依這種順序位于同一橫行。
當(dāng)然,造出這么多元素的可能性并不大,因為越重的元素越不穩(wěn)定。
盡管如此,104號和105號這樣的元素還是有可能造出來的。這些元素的半衰期尚可讓化學(xué)家們有時間去確認(rèn)它們的存在。而要想造出比104號、105號元素更重的少數(shù)元素,就必須使用非常復(fù)雜的方法。
用什么方法可以將那些重元素制造出來呢?
與合成102號和103號元素所采用的方法一樣,就是用重離子去撞擊而生成新元素,也就是用我們熟悉的重離子代替只有兩個質(zhì)子的氦原子核,譬如氮原子核。氮原子核中有7個質(zhì)子,如果用它來撞擊鋦(96個質(zhì)子),就很有可能生成103號元素(103個質(zhì)子)。也可以用氖的原子核。用氖的原子核撞擊钚,钚的94個質(zhì)子再加上氖的10個質(zhì)子從而轉(zhuǎn)變成104號元素。第一次造出102號元素就是使用6個質(zhì)子的碳原子核撞擊96個質(zhì)子的鋦的方法。
于是好幾處研究所都在建造加速器,用于加速重離子。柏克萊的Hilac就是其中的一個,它可以把氖離子或更重的粒子加速使其去撞擊靶心。
“Hilac”的內(nèi)部和站在里面的人
照片上顯示的是Hilac的內(nèi)部,由此可看出這種加速裝置需要巨大的真空空間(內(nèi)部要保持高度的真空)。粒子在那樣的真空中飛馳并被加速。
使用這種加速裝置就有可能造出更重的元素,同時也可以增加我們對原子及原子核本質(zhì)的認(rèn)識。這也是科學(xué)家們一直所期望的。
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