【鎄】美團隊首次測量神秘元素鎄 揭其基本特性與同系元素不同

最新刊於《自然》的研究指,成功找到人工合成、人類幾乎一無所知的元素鎄 (Einsteinium) 部份基本特性。

鎄是在 1952 年第一次美國能源部氫彈爆炸的殘餘物中發現,英文名字是以著名物理學家愛因斯坦命名。該原子序為 99 的元素不是自然存在於地球上,一直只能以專門核反應堆微量產生,同時因為鎄很難與其他元素分離、具有很高放射性並迅速衰變,這使得過去近 70 年研究該元素極為困難。

鎄是元素週期表底部 15 種錒系元素 (Actinide) 其中一個,這些較重的金屬元素是通過用中子和質子撞擊目標元素而成,鎄則是中子和質子撞擊鋦 (Curium) 產生。美國勞倫斯柏克萊國家實驗室 (Berkeley Lab) 團隊利用了田納西州橡樹嶺國家實驗室的專門核反應堆,成功製造出 233 納克 (nanogram) 的純鎄,並進行了自 1970 年代以來首次實驗。

鎄僅為副產品 產量極少

該反應堆原目的是製造鐦 (Californium) ,這種在核電廠中使用的商業上重要元素,因此僅產生很少量的鎄作為副產物。由於兩種元素相似,因此從鐦中提取純鎄很困難,最終僅得到了微量的鎄-254 ,這是該元素最穩定的同位素之一。

愛荷華大學化學系助理教授、前柏克萊國家實驗室研究員 Korey Carter 表示,得到的鎄-254 量非常少,肉眼看不到,唯一能分辨它存在的方法就是來自其放射性訊號。

但獲得鎄只是成功的一半。下一個問題是找到一個保存該元素的地方。

鎄-254 的半衰期為 276 天,然後會分解成錇-250 (Berkelium-250) ,後者會放出破壞性很強的伽瑪射線。新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室的研究人員設計了一種特殊的 3D 打印器皿,用以保護柏克萊國家實驗室團隊免受這種輻射影響。

但元素的衰減也為團隊帶來其他問題。 Carter 解釋,鎄-254 一直穩定衰減,每個月檢測時都會流失 7.2% 質量,因此在計劃實驗時必須考慮到這一點。同時受武漢肺炎 (COVID-19) 大流行影響,部分研究未能按原定時間進行,故需爭分奪秒。

現時的主要發現是鎄的化學鍵長度,即兩個鍵原子之間的平均距離的測量,學者可透過此長度預測其與其他元素的互動方式。他們發現鎄的化學鍵長與錒系元素的總體趨勢背道而馳。這是過去理論上已經預測過的,但以前從未通過實驗證明過。

另外,與其他錒系元素相比,鎄在曝露於光線下的發光能力也大不相同, Carter 將其描述為「前所未有的物理現象」。團隊將需要進一步實驗以確定原因。

研究亦可以使將來製造鎄變得更容易,鎄甚至可能會被用作製造出更重的元素,包括未發現的元素,例如假想元素 119 即 Ununennium (Uue) 。

來源:
Live Science, Chemists create and capture einsteinium, the elusive 99th element, 3 February 2021

報告:
Carter, K.P., Shield, K.M., Smith, K.F. & et al. (2021). Structural and spectroscopic characterization of an einsteinium complex. Nature 590, 85–88. doi: 10.1038/s41586-020-03179-3

文/Alan Chiu

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