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新元素的發現很重要嗎?從113號元素Nihonium談基礎科研

  • 文/Ryan Tang
    出生香港的80後,在東京大學成為核子物理博士。現在於日本理化學研究所工作。經常要向親朋好友解釋核子物理不是關於核電廠而煩惱。

最近不少教科書要重寫了,因為科學家發現和人工合成了 4 個新元素。它們分別是第 113 號元素 Nihonium(Nh)、第 115 號元素 Moscovium(Mc)、第 117 號元素 Tennessine(Ts)和第 118 號元素 Oganesson(Og)。我有幸能於元素 113 的發現之地,日本理化學研究所,和大家淺淡元素,發現 Nihonium 的過程及其意義,最後討論基礎科研對社會的關係與貢獻。

原子是由外層電子和中心原子核組成。原子核又分別由質子和中子組成。不同數目的質子構成不同的元素。例如氫是最輕的元素,只由一粒質子組成。生命所必須的元素-炭是由六粒質子組成,加上不同數目的中子組成不同的炭同位素。有些同位素比較穩定,可是更多是不穩定,且有放射性,衰變成另一元素或同位素。

例如穩定的碳-12 是由 6 粒質子和 6 粒中子組成;相反,碳-14 則多了 2 粒中子,變得輕微不穩定了,其半衰期為 5,400 年。另一種同位素碳-10,因少 了 2 粒中子,也是不穩定的。實驗室人工合成的碳-20,質子對中子比例為 6:14,差不多有 2 倍之多,屬於極不穩定的同位素,其半衰期只有十萬分之二秒——就算在宇宙中自然產生也會立即衰變。我們看看核素圖(圖 1),縱軸是中子數,橫軸是質子數。其中黑色的是穩定原子核,其他顏色是不穩定原子核(帶放射性)。可見,只有適當質子數和中子數的原子核才會穩定。越重的穩定原子核就需要越多的中子以維持穩定,讀者不妨想想為什麼(註 1)。

只有適當質子數和中子數的原子核才會穩定。圖/wikimedia

概念上,任何元素(原子核)只是不同數目的質子和中子的組合,好像任何人只要願意也可以合成任何新元素,發現新元素好像只是技術的問題,跟理論無關。現實比想像中複雜,有理論也有技術的限制。簡單的想法是,把兩粒自然界最重的鈾原子核放在一起,不就可以像泥膠混合般得出更重的原子核,不是嗎?神奇的大自然告訴我們不是。

在上圖中,越重的穩定原子核,就需要更多中子才會穩定。若把兩粒鈾原子核合成,就沒有足夠中子束縛整個新原子核,只要一合成就會裂解,分散成數個原子核。而且,要把兩粒帶正電荷的原子核合在一起,就需高速碰撞以抵抗靜電斥力。可是,太高速又會把原子核撞散,太低又不足以其中抵抗靜電斥力。再者,原子核很小,要增加碰撞機會就要加強原子核流束流量,打中後又要再偵測確認,涉及大量尖端科技。

在 2004 年,日本理化學研究所的森田浩介研究組1,以大約十份之一光速(剛剛可抵抗靜電斥力),讓鋅- 70(註 2)碰撞鉍- 209(註 3)做的環形標靶。標靶同時高速轉動,散發打擊時產生的熱量。當鋅- 70 和鉍- 209 碰撞後,有些融合,有些分裂,產生很多不同原子核。這些原子核會注入一個由大型雙極磁鐵為主的分離器2以分離出元素 113。為了確認是元素 113,分離器後放置多個探測器, 以偵測出元素 113 衰變出的一連串氦-4 (註 4)。實驗總共發現了 4 粒元素 113 ,其合成機率為 1020 分之 1。從實驗可知道元素 113 的物理性質,例如結合能量,半衰期,衰變過程等等,把科學知識界線往前推進。

森田浩介教授(左)。source:Wikimedia

核子物理發展以來,人類一直很好奇為什麼地球上的元素會如此分佈、為什麼黃金那麼稀少,為什麼稀土元素又那麼稀有。這只是地球獨有現象,還是其他行星,甚至其他星系也一樣呢?現在已知原子核有三千多種,只有 278 種是穩定。其它原子核雖不穩定,但也是受束縛(註 5)。那麼究竟邊界在哪裏(註 6)?為什麼邊界在那裏?現今的核力理解仍不足以作準確而一致的預測,而所有預測也必須有實驗證據支持。其中一項預測指元素 126 附近存在一個「穩定島」,有一些未發現的極重穩定元素,若然是真,那就跟希格斯粒子發現一樣有重大意義。由此可見,合成新元素的意義不只合成,還驗證我們對核力理解。嚴格來說,合成新元素和預測未來本質上是沒有太大分別,都是驗證我們對世界的理解。

人們一直很好奇為什麼地球上的元素是這樣分布,這只是在地球上,還是火星金星水星以及其他星系也是這樣呢?圖/By NASA, Public Domain, wikimedia commons

通過合成新元素,我們可以更了解束縛原子核的核力,解開太陽系組成,前世和今生的秘密,從而推論我們在宇宙中的位置。在應用方面,了解原子力有助我們處理核廢料,研發更可靠的反應堆。不少科技也可同步發展,例如冶金、新材料研究、低溫技術、真空技術、超導、新型雷射、高速晶片、資訊處理等。實驗設備和檢測器設計建造都需要和工業合作。有時研究所需的科技未必存在,「迫使」工業(或夥同其他研究所)研發新技術。例如建造大型超導磁鐵,因而開發的低溫、真空、治金、冷卻、測量等技術,為以後建造性能更優越的磁鐵打下基礎。而這些技術均可以廣泛應用於不同領域,例如醫療、災難拯救、交通、輸電等。

由此可見,科研和社會是息息相關,而香港人以為做科研是很「離地」,只是管中窺豹。我以為是因為香港沒有成熟科研體系,很少跨學科研究和合作,缺乏本土工業作為科研與社會的橋樑,知識要很久才能走出研究所。而大眾也誤解「IT」就是科研,身邊很少朋友是研究員,也無從知道科研為何物,就更加不明白科研對社會的關係及貢獻。科研、工業和社會,三者其實是互相支持的。科研帶領工業技術的發展,工業令社會進步,而社會進步又能支持科研。或者反過來,社會的需要推動工業,工業促進科學的發展,科學又培養人材以貢獻社會。其實全球化之下,各國的科研一直為香港帶來好處。例如電腦電信等科技,沒有多少是來自香港的,但香港在售賣和應用這些技術是領先世界。

  • 編按:本文作者為香港人,因此此段以作者的角度看香港的科學研究。

總括來說,發現新元素除了需要匯聚頂尖技術與頭腦,也會有助社會發展。合成元素 113雖然是小發現,沒有即時的應用,但是其成功是集合整個日本科學、工業及社會力量,取名為 Nihonium 是當之無愧。縱觀科學發展史,很多科學發展並非憑空誕生,科學進步不是跳躍式,而是一步一步「走出來」:由無數發現累積而成。合成新元素正如當年太空人阿姆斯壯在月球上說:「這是我一小步,卻是人類一大步。」

參考資料:

  • K. Morita ​et al. ​: J. Phys. Soc. Jpn. 73(2004) 2593-2596
  • K. Morita ​et al. :  J. Phys. Soc. Jpn. 73(2004) 1738

註解:

  • 註​ 1​:質子帶正電荷,會產生強大的靜電斥力,只靠質子和質子間的強核力不足以束縛整個原子核。而且靜電斥力是長程力,整個原子核都感受到,但強核力則為短程力,只有附近的核子才能感受到。所以,需要更多的中子,加強強核力的強度和分布,才能維持原子核穩定。不過,太多中子又會令原子核變得不穩定。這是因為 中子和中子之間的強核力也不足以束縛這兩粒中子。原子核複雜及神奇之處可由此可略知。
  • 註 2:鋅(Zn),30 粒質子,又稱亞鉛。穩定同位素是鋅-66,鋅-67,和鋅-68。鋅廣泛應用於工 業,也是很多合金不可或缺的元素。
  • 註 3:鉍(Bi),音必,83 粒質子。鉍-209是穩定的。由於化學特性跟鉛相似,而又不像鉛般傷害人體,所以經常替代鉛。例如在很多化妝品和藥物中。
  • 註 4:氦(He),由兩粒質子組成。氦-4 是穩定的原子核。其結合能為所有原子核中最高。
  • 註 5:就如在一口井中,在井底是穩定。在井中間是不穩定,會掉落井底。在井中,沒有外力下不能離開井,所以是受束縛的。在井外,就沒有受井的束縛。
  • 註 6:以註 5 的比喻,即井口有多大,形狀如何。

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