原子序第113超重元素的發現與命名

在週期表里,元素以原子序来排列,原子序代表原子核中的质子数目,具有相同质子数(但不同中子数)的原子有着同样的化学性质,这些原子称之为同位素。虽然同位素拥有相同的化性,因为原子核的稳定性不同也因此具有不同的生命长度。质子数低于或等于92的铀为止都可以从自然界直接发现,比铀更重的元素是透经由人工合成确认其存在。尤其是原子序104号以上,被称为超重元素的元素,因为产量极少,难以仅透过化学性质的分析结果来证明新元素的合成,加上所有的超重元素都不安定,会在短时间内衰变为更安定的元素,因此要证明新元素的合成非常重要但又非常困难的一点就在于,确认该元素产生衰变链并转变成已知的较轻原子核。

新元素的探索对化学和物理两方面的学问来说都是重要的研究题目。1869年俄国化学家门得列夫提倡的「元素週期表」中从氢(H: 原子序1)到铀(U: 原子序92)之中仅列出63种。到2015年为止则有114种获得认定。有关新元素的发现,是由「国际纯粹与应用化学联合会 (IUPAC: International Union of Pure and Applied Chemistry)」与「国际纯粹与应用物理联合会 (IUPAP: International Union of Pure and Applied Physics)」推荐5人所组成的联合工作小组「JWP : Joint Working Party」进行审查。IUPAC会基于JWP的审查结果,认定发现新元素的研究团队,并将新元素的命名权授予该团队。2015年底IUPAC认定日本理化学研究所(以下简称理研)仁科加速器研究中心超重元素研究团队为中心的团队(领导人森田浩介为九州大学教授,以下简称森田团队)所发现的「113号元素」为新元素,并在2015年12月31日通知授予该团队以发现者的身分为新元素命名的权利。这是史上首次将命名权授予欧美各国以外的研究团队。元素週期表中将首次加入来自亚洲国家,日本的元素。

原子序第113超重元素的发现与命名

图1 即将被命名的113号元素在周期表中的位置是介于鎶(Cn, 原子序112)与鈇(Fl, 原子序114)之间。这次JWP认定了113号元素﹑115号﹑117号及118号新元素的发现,所以週期表第7周期的元素已经全员到齐。115与117号元素的发现者为俄罗斯JINR ﹑美国LLNL与美国Oak Ridge National Laboratory (ORNL) 。 118号元素的发现者为俄罗JINR 与美国LLNL。

113 号元素发现的过程

2003年,俄罗斯联合核研究所 (Joint Institute for Nuclear Research, JINR) 中的弗雷洛夫核反应实验室 (Flerov Laboratory of Nuclear Reactions, FLNR) 与美国劳伦斯利福摩尔国家实验室 (Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL) 的联合研究团队进行将钙同位素 (48Ca: 原子序20,原子量48)的原子束射向鋂 (243Am: 原子序95,原子量243)、鉳 (249Bk: 原子序97,原子量249)、鉲(249Cf: 原子序98,原子量249)的实验,合成115号、117号、118号元素,并捕捉到这些元素连续衰变的过程,因而主张包含113号元素在内的4个元素的发现。

理研从1980年后半开始合成超种元素的準备研究,森田团队使用理研的放射性同位素原子束工厂「Radioactive Isotope Beam Factory (RIBF)」的重离子线性加速器「RILAC (RIKEN Heavy Ion LINAC)」,从2001年起正式开始超重元素的合成实验。因为当时在德国GSI亥姆霍兹重离子研究中心 (GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research) 已合成出107至112号的超重元素,所以理研的森田团队从GSI所合成的元素的重测 (test–retest) 实验起步,在很短的时间之内成功合成108号、110号、111号元素。2003年9月,该团队将锌(70Zn: 原子序30,原子量70)的原子束射向铋(209Bi: 原子序83,原子量209),开始113号新元素的合成实验。在实验开始后10个多月的2004年7月23日,首次成功观测到连续4次的α衰变,以及其后分列为二的自发分裂 (spontaneous fission)(图2)。

原子序第113超重元素的发现与命名

图2 2004年首次成功合成113号元素之前,森田团队製造了约50兆次的锌铋冲撞(79天, 每秒2.4兆个锌原子束射向铋)。第二次的成功合成是100天冲撞的结果,第三次则是350天。第1与第2次的合成观测到113号元素的同位素(原子序113,原子量278)发生连续4次衰变,以及之后(Db: 原子序105,原子量262)一分为二的自发分裂。第3次的合成观测到接续4次衰变的2次衰变,并确认最后转变为钔(Md: 原子序101,原子量254)。

已知同位素的α衰变,其衰变为止的时间(寿命)与因衰变而放出的能量都已获精确掌握。森田团队所观测到的4次α衰变的寿命与能量,与已知的同位素(266Bh: 原子序107,原子量266)发生α衰变时的寿命与能量精确达到一致。而且同位素经过α衰变而生成的同位素(262Db: 原子序105,原子量262)会以差不多1/3的机率发生自发分裂。原子序经过1次α衰变会减2,因此可以说发生4次α衰变后会转变为同位素的原子核是,105+2+2+2+2=113号元素无误。隔年2005年4月2日也同样观测到连续4次的α衰变与自发分裂。

森田团队在7年后的2012年8月12日观测到连续6次的α衰变。这次观测所得到的α衰变寿命与能量,与已知的同位素,同位素,以及鐒(258Lr: 原子序103,原子量258)在α衰变时的寿命与能量精确达到一致,实验结果使人确信6次α衰变后的结果是转变成钔(254Md: 原子序101,原子量254)。同位素除了自发分裂,有2/3的机率会发生α衰变。也就是说森田团队以同位素确认了两种现象。此外透过分析2009年进行的同位素(Bh: 原子序107,113号元素发生3 次α衰变后生成的原子核)直接合成实验所得的32例α衰变链,证实上述3例衰变系列的确经由同位素。森田团队基于这些结果认为113号元素的合成毫无疑问,并主张113号元素的发现。透过上述结果,认定新元素时注重的「衰变成已知同位素」即获得证实。

森田团队主张3次合成成功的「113号元素」为新发现的元素。虽然俄国与美国的联合研究团队较早(2003年)透过别的方法合成113号元素且用更多的合成例主张他们的发现,但其实所有实验结果都存在衰变后没有转变成已知同位素的问题,因此JWP审查两个研究团队的研究结果是否符合认定标準时,以森田团队观测到的113号元素确实与已知原子核有关等理由,向IUPAC报告森田团队为 113号元素的发现者,并得到IUPAC的认定。今后,森田团队将提出113号元素名称与元素符号的建议。目前的可能建议名称有:Japonium (Jp, 日本)、Rikenium (Rk, 理研)和Nishinanium (仁科芳雄,日本现代物理学之父)。若IUPAC / IUPAP审查提案后认为适当,约1年后新元素的名称将由IUPAC / IUPAP 发表。

森田团队获得认定的经过

森田团队因为在2004年﹑2005年﹑2012年所合成的3个113号元素的衰变过程中,彼此间α衰变的能量与寿命的测定值没有矛盾,衰变的结果的确连结到已知的原子核,再加上2009年所进行的同位素直接合成实验中以不同的合成过程观测到相同的衰变过程,使得他们发现113号元素的主张获得认可。

113号元素发现的审查从2007年开始。森田团队以2004年与2005年共计2次成功合成113号元素为由主张其发现,但因为合成成功的次数太少等理由,在当时被认为主张不充分。

之后,JWP在2012年重启113号元素发现的审查。于是森田团队在之前的2例合成成功之外,再提出透过2009年成功的同位素合成可以从别的合成过程确认113号元素合成时的衰变过程,以及在2012年合成的113号元素衰变成已知的原子核钔,主张其发现。森田团队为世上唯一一组确认113号元素的衰变过程是到达已知原子核的团队,而这正是本次发现者认定的关键。

今后的展望

在超重元素的领域,因为原子核的核电荷大所以电子轨域变化大(相对论的效果),理论上预测会出现从轻元素的週期性无法推测的特殊性质。开发处理1个原子的终极微量元素分析技术,透过实验釐清新发现的元素的化学性质与电子构造,是今后化学的重要课题。在超重元素研究的未来,还存在着的未知领域包括,探索尚未发现的119号之后的新元素﹑探索存在于被称为「稳定岛 (Island of stability)」的未知领域的原子核(这个领域中的原子核的寿命推测因量子力学效果而极长)与釐清週期表上第7•8周期元素的化学性质等。


参考资料与图片来源:

日本理科学研究所2015年12月31号新闻稿

113番元素の命名権获得 -元素周期表にアジア初、日本発の元素が加わる-

http://www.riken.jp/pr/press/2015/20151231_1/

IUPAC 2015年12月30号新闻稿

Discovery and Assignment of Elements with Atomic Numbers 113, 115, 117 and 118

IUPAC announces the verification of the discoveries of four new chemical elements: The 7th period of the periodic table of elements is complete.

http://www.iupac.org/news/news-detail/article/discovery-and-assignment-of-elements-with-atomic-numbers-113-115-117-and-118.html

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