中子武器：超越铀的元素简史

1940年之后发现的所有元素全部都是放射性的，并且都是利用粒子加速器在核反应中生成的。这些元素不管是否在超新星的中心也曾自然生成过，反正在科学家们研究过的行星和恒星中没有天然存在过。其中多数元素的半衰期都非常短——这里的“非常短”可能意味着几秒、几毫秒甚至更短。因此，就算它们可能在超新星中形成，也不会存活太久。

在1932年中子被证实存在之前，谁也不会真正想过存在原子序数大于铀（即大于92）的元素，也就是“超铀元素”。但中子的出现，为轰击原子核增加了一种武器，让超铀元素不再是“科幻”，并很快成为一些放射化学家关注的焦点。

中子在原子核外仅能存在几分钟，所以要实现中子轰击，只能通过核反应或粒子加速器使原子解体，然后将逸出的中子在衰变之前尽快加速。核反应和粒子加速器都将成为重点研究对象，并开辟出通往新元素的途径。

蓝色：至少有一种稳定同位素的元素
绿色：最稳定同位素的半衰期超过200万年的元素
黄色：最稳定同位素的半衰期为800~34000年的元素
橙色：最稳定同位素的半衰期为1天~103年的元素
红色：最稳定同位素的半衰期在1天以内的元素
紫色：最稳定同位素的半衰期在几分钟以内的元素

意大利化学家费米（E. Fermi）意识到，虽然约里奥-居里夫妇使用的是α粒子，但用新发现的中子轰击原子，可能会产生更好的效果。由于质子带有正电荷，目标原子核会排斥质子，但它并不排斥没有电荷（中性）的中子。

1934年，费米开始尝试用中子轰击惰性元素，看看会发生什么情况。他发现，较轻的元素会放射出1个质子（所以其原子序数会减少），但较重的元素会吸收1个缓慢移动的中子，将其转化为质子。因此它们的质量会增加，从而在元素周期表上位置后移。快速移动的中子往往会将粒子从原子核中轰击出来。

费米在自己的实验室里

费米的研究成果之一是发现了一种同位素，其半衰期与任何已知元素都不匹配。他将1个中子强行轰入铀，难道在这个过程中，那个中子变成了1个质子和1个电子，从而制造出了93号元素？1934年，当他审慎地公布这一发现时，遭到了同行的强烈反对。他确实制造出了半衰期不同于所有已知同位素的东西，但不管那是不是93号元素（也就是后来的镎），他都没办法将其分离出来。这种质疑和争论持续了好几年。

1938年，费米因证明“由中子辐照产生的新放射性元素的存在”而获得诺贝尔奖。一个月后，核裂变得以实现，他发现的不明元素被证实为一种裂变产物。其实，伊达·诺达克早就曾提出过裂变的可能性，但人们都认为那是不可能的，所以她的想法被忽略了。

位于美国加州伯克利的劳伦斯辐射实验室中的60英寸回旋加速器，摄于1939年建成后不久。图中左三为劳伦斯，他因为这项发明而获得了1939年的诺贝尔物理学奖

93号元素其实一直都在？

曾尝试探索并声称发现了93号元素镎的科学家中，包括罗马尼亚物理学家胡卢贝伊和法国化学家哥舒瓦。1938年，两人在使用光谱仪检测矿物时发现了一种新元素，将其命名为Sequanium。但这一发现并未获得承认，因为人们不相信93号元素可以天然地存在。其实，在铀矿石中也能找到少量的镎，所以他们有可能真的发现了镎。

费米以为自己发现了第一个超铀元素，其实并非如此。美国化学家麦克米伦（E. McMillan）则认为自己没能发现超铀元素，其实他做到了。在加州伯克利，麦克米伦使用新的60英寸回旋加速器对铀进行轰击，目的是研究分离出来的裂变产物。他在所使用的三氧化铀中发现了两种新的半衰期，其中一种可被归为铀的同位素（铀-239），但另一种的半衰期为2.3天，无法与任何元素相对应。他开始判断，这会不会就是93号元素。当时，人们预计93号元素的化学行为会跟铼一样，但这种产物却并非如此。

1940年，麦克米伦与美国物理学家艾贝尔森（P. Abelson）合作，发现该产物更像一种稀土元素，并成功地将其分离出来。两人制造出了更大的样本，这确凿地表明，随着铀-239的减少，半衰期为2.3天的产物丰度在增加。显然，铀正在转变为新的元素，而新的元素又在衰变成别的东西。就这样，他们不仅发现了93号元素镎（Np），还发现了由它衰变而来的94号元素钚（Pu）。然而，他们无法分离出足够多的94号元素来证实其化学性质。

94号元素的发现后来归功于美国化学家西博格（G. Seaborg），他在同一年晚些时候鉴别出了钚-238。对于镎的探索，则要等到1942年才有了严谨的成果。在这一年，西博格和自己的学生华尔（A. Wahl）分离出了它的另一种同位素镎-237，其半衰期为300万年。

西博格用手指着元素周期表中的（Sg），这是以他的名字命名的

新行星，新元素

93号元素镎以海王星命名，因为它在周期表中排在铀（以天王星命名）之后。钚则是以冥王星命名的，冥王星1930年才被发现，其轨道在海王星的轨道之外，直到1940年还被视作一颗行星（现在则被归为矮行星）。如果当初行星命名的方式不同，我们可能就会有不同的元素名称了——德国天文学家赫歇尔本想用英王乔治三世的名字来命名天王星。冥王星是由11岁英国女孩威妮夏·伯尼以希腊冥界之神命名的。她和赫歇尔都没有想到，自己可以免费得到一个元素的命名！(www.xing528.com)

各种自然合成方法，从94号元素钚开始就不管用了。据推算，在任一特定时间，全世界只有大约0.05克天然存在的钚，所以偶然发现它的机会无比渺小。把整个地球的历史都算上，钚以上的元素可能只存在于20世纪和21世纪物理学家的实验室中。

不受欢迎的副产品

人们为找到93号元素付出了巨大的努力，而令人沮丧的是，发现它之后，科学家们的精力却大都消耗在如何消灭它上面了。镎-237是一种让人头疼的副产品，它的封闭处理是个大问题。因为其半衰期被确定为214万年，人们只好设计出能维持数千年之久的改进型废物密封装置。

第二次世界大战后，人们开始踏踏实实地寻找超铀元素。战争期间，研究重点是可用于核武器的钚。向铀发射高能中子，然后等待不可避免的放射性衰变发挥其魔力，通过这一途径之前已经生成了镎和钚，很快又生成了其他元素。作为“曼哈顿计划”的一部分，西博格等人在1944年制造了镅，但直到战后才被解密。镅与锔（另一种机密元素）是混在一起出现的，人们发现这两种元素总是难解难分，于是研究团队私下里戏谑地称之为“混乱”和“谵妄”。

终于，96号元素锔（Cm）首先被分离出来，并以居里夫人的姓来命名。不久，95号元素镅（Am）也被分离出来，并以美洲的名字命名。这是因为在经西博格调整过的元素周期表中，它的位置紧跟着铕（Eu，以欧洲命名）。现存的大部分镅和锔，都是通过在核反应堆里用中子轰击铀或钚产生的。每吨乏燃料（经过辐射照射、使用过的核燃料）只能产生100克镅和20克锔。镅被广泛应用于烟雾探测器，而锔则用于给卫星供电。不难理解，镅的市场远大于锔。在自然界中，比它们更重的元素可能并不存在（偶尔可能会有一点镅）。

烟雾探测器中的镅会发射α粒子，可使空气电离，造成正负极板之间的粒子流。当烟雾扰动粒子流时，警报器就会被触发

西博格和他的同事们继续发现（或者说制造）了总共11种新元素。但事实证明，它们并不能全部列在周期表的末端。正如门捷列夫那均衡的排布被过渡金属打破，镧系元素又搅乱了过渡金属一样，锕系元素也需要一个特殊的位置。1944年，西博格提出了“锕系元素”的概念，预测锕系元素会成为像镧系元素一样的过渡序列。该序列始于89号元素锕（Ac），终于103号元素铹（Lr）。

化学家们曾认为，镧系元素（57号至71号）是一种对“正常”的偏离，在它们之后，周期性模式将回归“正常”。只有西博格预料到：它们展现了周期性的一个新的方面。如果锕系元素没有自成序列，而是从锕开始“循规蹈矩”地排列，那么93号元素镎就会排在铼的正下方。当费米以为自己找到了93号元素时，正是抱着这种误会，并且期望它跟铼的性质相同。所以当他意外地发现它与铼完全不同，就陷入了困惑。

西博格并没有将新元素硬生生地塞进现成的周期表中，而是提出了一个改良方案，他的方案已经成为现行的标准方案。镧系元素和锕系元素出现在表格下方，各自成行，并有一条参考线，提示它们应该插入的位置。这虽不是唯一能表示它们位置的方法，却是目前使用最广的方法。西博格的预测不止于此，他还推想存在“后锕元素”甚至“超锕元素”。前者将容纳104号至121号元素，后者将把周期表从122号元素延续到153号。不过，迄今为止还没有证据表明“超锕元素”真的存在。

绘制这种周期表的目的，是为了能将镧系元素和锕系元素放在合适的位置上。但这张表太宽了，所以使用起来不是很方便

周期表中各部分元素的数量，反映了原子内部电子的分布方式。正如我们所知，最里面的壳层最多只容得下2个电子。氢在这一层有1个电子，氦有2个，再之后就满了。所以下一个元素也就是锂，必须“征用”一个第二壳层。第二层可容纳8个电子，分成4对。每对电子的轨道形状，可用一个字母来表示。在n=1层中，单对电子占据球形轨道，用s表示。氢的电子构型为1s¹，氦的电子构型为1s²。n=2层有1个s轨道，可容纳2个电子，还有3条p轨道，大致呈半球形或叶形，每条轨道同样最多容纳2个电子。各轨道方向不同，使电子可以尽可能地保持距离。为了区分3条p轨道，它们分别被赋予了下标字母：p_x、p_y、p_z。

3条p轨道沿着彼此垂直的轴排列，好让电子尽可能保持距离。每条p轨道都由2段叶形轨道组成

每条轨道首先得到1个电子。当每条轨道都得到了1个电子后，它们开始获得另外1个电子，从最靠近原子核的轨道依次向外。以第2周期为例，元素的电子构型如下：

而第三壳层有18条轨道，再下一壳层有32条，接下来是50条。每一壳层重复着亚壳层的代表字母。

周期表上的元素通常标注于配了底色的方块中，用字母表示，与用于表示原子最外层轨道的字母一致。当原子中开始出现d轨道时，就进入了过渡金属的部分。镧系和锕系元素则对应着f轨道的出现。西博格认为，锕系元素是周期性的延续而非偏离，当我们考虑到电子构型时，这一点就很清楚了。

这张周期表显示了各类元素原子壳层中电子的配置情况