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歡慶國際化學元素週期表年,你知道元素週期表幾歲了嗎?

行政院環境保護署毒物及化學物質局_96
・2019/12/06 ・3978字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 556 ・八年級

本文由行政院環境保護署毒物及化學物質局之推動化學物質綠色生活知識教育平臺計畫企劃,泛科學執行

  • 文/楊朝源

說起元素週期表,大概是每位學生們念書時,最怕遇到的惡夢之一吧。從氫鋰鈉鉀銣銫,一路背到氦氖氬氪氙氡,除了元素常常名字看不懂,整個元素週期表的形狀還非常奇怪,讓記憶難度提高。生吞活剝背完中文後,還有元素符號、原子序、等大魔王在後面摩拳擦掌,根本讓人背到懷疑人生。

國際化學元素週期表年。圖:SIF

雖然元素週期表很可怕,但你可知道今年,也就是西元 2019 年,正是元素週期表誕生的第 150 年,被聯合國設為國際化學元素週期表年!在這大喜之年,就讓我們放下以前的恩恩怨怨(?)了解一下元素週期表這 150 年來經歷的風風雨雨吧。

誕生於俄國科學家之手,北境永不遺忘

元素(elements),也就是組成物質的基本單位,自古以來每個文明都有各自的敘述與想像來說明,例如古代中國的五行說(金木水火土),古希臘的四大元素(水火氣土)等等。從這些學問中,不難想像古人對於物質的好奇。然而究竟是什麼東西構成了我們的世界?在近代科學中,法國科學家拉瓦節(Antoine-Laurent de Lavoisier)跨出了第一步。

十八世紀末,被後世譽為「現代化學之父」的拉瓦節發起了一場革命,給予世人對於元素的新理解,而後十九世紀初有了英國科學家道爾吞(John Dalton)的原子說,原子量成為分辨元素時的一大利器。在這之後,各個元素開始陸陸續續地被發現,但是面對越來越多的元素種類,學者們試過各式各樣的排列方式,卻沒有一個令大家都信服的結果,來為這些元素分類與排序。

門德列夫。圖/ wikimedia commons

就在所有科學家都摸不著頭緒的時候,俄國科學家門德列夫 (Dmitri Ivanovich Mendeleev)於 1869 年提出了他的元素週期表。

他將化學相似的元素分為七個家族(當時尚未發現第八族元素),按照原子量的大小進行排列,並且預測了四個元素的存在。然而,門德列夫的元素週期表並沒有在發表時就一炮而紅,讓人們高喊元素週期表元年到來,而是成為眾多元素週期表中的其中一個,競爭正確答案的寶座。

之後過了六年,也就是 1875 年,法國科學家布瓦伯德朗(Paul Émile Lecoq de Boisbaudran)從鋅礦中提煉出了一種新的元素,被命名為鎵(Ga)。

這個發現的驚人之處不僅僅是因為發現了新的元素,更因為鎵的原子量、化學性質以及比重等等特性,都與門德列夫的「類鋁」預測幾乎一致,這樣精準的預測結果讓世人開始注意到門德列夫的元素週期表。

接著科學家陸陸續續在 1879 年發現了鈧(Sc),1886 年發現了鍺(Ge),更是讓世人對門德列夫的想法更加信服。因為他的洞見,150 年後,我們仍然敬佩這位俄國的科學家,他的貢獻將不會被世界所遺忘。

鎵可以被人的體溫融化。圖/Newton desk

瞭解原子,揭開元素週期表的規則

剛剛說到,元素週期表是為了讓科學家將元素排序所產生的,因此元素週期表的背後必然有一定規則存在,才能使各式各樣的元素按照規律排列。而這些背後的祕密,卻是在門德列夫的元素週期表問世以後,才一點點的被揭開。

西元 1897 年,英國化學家湯姆森(Joseph Thomson)透過陰極射線發現電子,這個發現打破長期以來科學界認為原子不可分割的理論。在 1913 與 1932 年,拉塞福(Ernest Rutherford)和查兌克(James Chadwick)分別發現了質子與中子,對於原子構造的認識終於有了初步的進展。而帶有負電的電子、帶正電的質子與不帶電的中子,正是瞭解元素週期表規則的起點。

元素週期表。圖: Life 生活化學,CC BY-NC-ND 3.0,禁止使用商業用途、修改

電子、質子和中子組成了原子,其中質子的數量代表了原子序,也就是上圖中元素左上的數字,因此從只有一個質子的氫為首,開始由左向右讀,元素的順序便是一氫二氦三鋰四鈹……,直到目前編號最後一個元素,也就是編號 118 的 Og,擁有 118 個質子。(編按:編號 117 的元素 Ts(石田)以及編號 118 的元素 Og(气奧)為新造字,多數電腦系統尚無法顯示這兩個字元,所以後面提到這兩個元素時一律以英文元素符號表示。)

為了保持原子的電中性,帶負電的電子必須要和帶正電的質子是相同的數量。電子在原子核週圍環繞,其運動的位置被稱為軌域。當目前的軌域被填滿後,電子就會排到下一層的軌域,也就是新的週期。目前的元素週期表有七個週期,由上而下每個週期的元素數量分別是 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32。

在原子最外層的價電子,則大大決定了原子的化學性質。因為當電子的數量可以填滿軌域的時候,原子就會趨於穩定,也就是不容易產生化學反應,反之原子為了填滿軌域,會進行化學反應來得失電子,以達到安定的狀態。換句話說,具有相同價電子的元素,也就是在元素週期表上同一行(族)的元素,通常會具有類似的化學性質。

舉例來說,8A 族的氦、氖、氬、氪、氙等元素,因為電子的數量剛好可以填滿電子軌域,故都是不容易起反應的穩定氣體,又被稱為惰性氣體。而 1A 族的氫、鋰、鈉、鉀等元素,則是因為剛好多了這麼一顆價電子,所以容易失去價電子,反應後會成為少了一顆電子的帶正電離子,如鈉離子(Na+)。2A 族則有類似情形,只是會變成帶有正 2 價的離子,例如鈣離子(Ca2+)。7A 族的情形則反之,氟、氯、溴等元素需要獲得電子來滿足電子組態,因此常見帶一個負電的離子,如氯離子(Cl-)。(編按:前述元素相關化合物的化學屬性,可上化學知識地圖查找資訊,如氰化銅次氯酸鈉全氟辛酸等。)

前述元素相關化合物的化學屬性,可上化學知識地圖查找資訊,如氰化銅次氯酸鈉全氟辛酸等。

最後來說說中文的符號有什麼玄機吧,事實上你可以看到中文的元素就只有四個部首,分別是金、石、水、气。這四個部首就代表了該元素在常溫常壓下的狀態,若是固態金屬,就是金部,固態非金屬則用石部,液態的話就用水部,氣態當然就是气部。

說了這麼多,當你下次要記元素週期表的時候,想想這些背後的原因和規則,或許可以幫你省下不少功夫喔。

元素週期表的下一個 150 年,關於未知的新元素

雖然今年已經是元素週期表發表後的第 150 年,但事實上,科學家到今天為止,仍然在嘗試找出新的元素。2009 年,元素週期表上的元素只有到第 111 號的錀(Rg),到了 2010 年,112 號元素鎶(Cn)正式被命名,兩年後,編號 114 的鈇(Fl)和 116 的鉝(Lv)也加入。

最終在 2016 年,113 鉨(Nh)、115 鏌(Mc)、117(Ts)與 118(Og)正式加入元素週期表,也就是元素週期表誕生第 147 年後,科學家們終於成功填滿了一到七週期中所有的空格了!

十年之前,元素週期表上只有111個元素。圖/修改自GDCH

但是第七週期是找到所有元素的最後一塊拼圖嗎?德國化學家杜爾曼(Christoph E Düllmann)就說過:

「我不知道任何懷疑元素 119 與 120 存在的人。(I know of nobody who doubts that elements 119 and 120 can exist.)」也就是說,科學家們都相信第八週期元素的存在,只是目前為止尚未發現而已。

事實上,與其說是「發現」新元素,這些年倒不如說科學家「製造」出新元素還貼切一些,因為目前為止在自然界發現的元素只有約 90 幾種,其他的元素都是在實驗室裡面製造出來的。尤其是那些原子量超過 104 的超重元素們(superheavy elements),幾乎都是使用加速器使輕元素相互碰撞後產生的。

說起來簡單,但做起來可是困難重重,先不說每次的碰撞實驗都需要花上幾個月的時間去準備,成功合成出想要的元素後,這些重元素又會很快就衰退消失成其他元素,壽命從千分之一秒至一兩秒都有,根本就是實驗室裡的煙火秀。

位於俄羅斯杜布納(Dubna)的超重元素研究室。圖:JINR

在這短暫的時間中,還要想辦法從各種粒子中找到並去確定新元素的性質,這就像是要幫閃電拍照一樣困難的任務!

以元素 114 鈇(Fl)為例,當時部分的學者推測鈇是一個活性很低的元素,甚至與惰性氣態相近。但又因為鈇在元素週期表的位置在鉛之下,所以照元素週期表的規則來說,鈇的化學性質應該類似於重金屬。為了找出答案,科學家們設計了一場實驗:

他們讓鈇原子通過一個狹窄的黃金隧道,隧道一開始是熱的,但出口端的溫度會低至攝氏 -170 度。若鈇的性質與鉛相似,一開始就會被隧道所吸收,反之如果比較像惰性氣體,那就會移動到接近出口時才被吸收。然而等到實驗結果出爐後,兩組研究人員卻得到了相反的結果,也意味著學者們仍需要更多的實驗,來了解鈇這個元素。

這個故事向我們展現了研究超重元素的困難,即便如此,科學家們仍會努力地去找出下一個新的元素。

在 119 號元素以後的元素週期表,會有哪些神奇的元素?會在何時結束?又是否會一直保有週期性呢?回首元素週期表誕生 150 周年,讓我們預祝下一個 150 年一樣充滿發現與驚喜。

本文由行政院環境保護署毒物及化學物質局之推動化學物質綠色生活知識教育平臺計畫企劃,泛科學執行

參考資料

  1. Düllmann, C. E. (2019). 118 and Counting… The Periodic Table on its 150th Anniversary. Angewandte Chemie International Edition, 58(13), 4070-4072.
  2. 環保署化學局「化學知識地圖網站」—列管毒化物簡表

延伸閱讀

 

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行政院環境保護署毒物及化學物質局,落實毒物及化學物質之源頭管理及勾稽查核,從源頭預防管控食安風險,追蹤有害化學物質,維護國民健康。 網站:https://www.tcsb.gov.tw/

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原子彈的發明原理,從一個被說荒謬的假設開始(上)——《科學大師的失誤》
時報出版_96
・2021/05/01 ・2417字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 518 ・六年級

  • 作者 / 楊建鄴

一個人在科學探索的道路上,走過彎路,犯過錯誤,並不是壞事,更不是什麼恥辱,要在實踐中勇於承認錯誤和改正錯誤。──愛因斯坦(Albert Einstein,1879−1955)

1914 年,第一次世界大戰爆發,哈恩被徵入伍,改換了身分,於是所有的研究工作都被迫中斷了。哈恩被派到哈伯那兒服役。1905 年,哈伯發明了將空氣中的氮合成氨的方法。我們知道,氨可以用來合成高效化肥,這一發明有極其重大的價值,為德國氮肥工業的興起作出了決定性貢獻。

1915 年年初,哈伯、哈恩與其他一些科學家被政府指令研究毒氣。哈伯是「毒氣計畫」的負責人。哈伯對哈恩說:「我們的任務是建立一支毒氣戰鬥特別部隊,我們要研製新的、殺傷力更大的毒氣。」

哈伯、哈恩與其他一些科學家被政府指令研究毒氣。圖/Pexels

哈恩聽了,嚇了一跳,不由倒抽一口涼氣。

接著,哈伯說了一堆大「道理」,這些「道理」在第二次世界大戰發明原子彈時,又被一些科學家再次利用。哈伯在第一次世界大戰期間對德國可說是建立了卓偉功勛,但在第二次世界大戰時,這位無比忠於德國政府的人,因為是猶太人,受到希特勒的迫害,不得不逃離德國,最後暴病身亡。

第一次世界大戰結束後,哈恩和邁特納又在凱薩.威廉物理化學及電化學研究所,繼續已經中斷了四年多的合作研究。很快,他們發現了一種新元素,其原子序數是 91。他們給新元素取名為「鏷」(Pa)。接著,哈恩又做出了許多有價值的工作,因此他被認為是歐洲最權威的分析化學家,尤其在放射化學方面,更有著不同凡響的聲譽。

正在他學術上日見輝煌時,卻捲入了一場學術爭論之中。與他爭論的對手是很有威望的科學家,法國居禮夫人的大女兒伊雷娜–約里奧–居禮 (Irene Joliot-Curie,1897−1956)

伊雷娜–約里奧–居禮。圖/Wikipedia

事情的起因和過程,這兒只簡單地介紹一下。義大利物理學家費米用慢中子轟擊 92 號元素鈾時,以為得到了 93 號元素。由於科學家在自然界只見過 92 號元素,從來沒有人見過 92 號之後的元素,所以,如果費米真的得到了 93 號元素,那真是一個非常了不起的發現。

費米開始還比較小心,不敢說自己真的發現了 93 號元素,只是說「有可能發現」新元素。但後來由於沒有人懷疑他的結果,於是費米也開始相信自己是真的發現了 93 號元素。

當時有一位叫伊達.諾達克 (Ida Norddack,1896−1978) 的德國女科學家曾經提出過批評。她在德國《應用化學》雜誌上發表了一封信,對費米提出了批評。在信中她寫道:現在費米還沒有把握說,中子撞擊了鈾以後反應的生成物是什麼,在這種情形下談論什麼「超鈾元素」是不合適的。

諾達克大膽假設,像原子量為 238 的鈾這樣的重原子核,當中子撞擊它時,它有可能分裂成幾大塊碎片,成為幾種比較輕的原子核。

諾達克的批評沒有受到費米和大家的重視,這有三個原因。一是諾達克不是很出名的科學家,刊登她的信的刊物也不是一流刊物。二是她的大膽假設,沒有任何人相信,因為中子的能量很小,「根本不可能」把堅固的原子核撞得分裂開來。舉個例子,一顆手槍子彈最多只能在牆上敲下幾塊碎片;如果說這顆子彈能把這座牆打倒,分裂成兩三大塊,恐怕你也不會相信的。三是哈恩同意了費米的意見,認為費米真的製出了超鈾元素;哈恩是公認的化學權威,這當然使費米相信自己對了。因此,費米拒絕了諾達克的意見。

諾達克與哈恩相識,哈恩也曾經關心過諾達克的研究。因此,在 1936 年一次見面時,諾達克向哈恩建議說:

「哈恩教授,您是否可以在您講課中,或者在著作中,提到我對費米的批評?」

哈恩嚴肅地拒絕了,並且說:

「我不想使您成為人們的笑柄!您認為鈾核會分成幾塊大碎片,依我看,純粹是謬論!」

哈恩認為諾達克對於鈾核會分裂成幾塊大碎片的研究是謬論。圖/GIPHY

但過了兩年之後,哈恩自己卻證明了這個「謬論」是真理;而且在 8 年之後,哈恩還因為這個發現得了諾貝爾化學獎!世界上有一些事情就這麼奇怪!

正當哈恩否定了諾達克意見之後,法國著名的化學家伊雷娜卻指出,諾達克的意見很可能是對的。伊雷娜在實驗中發現,用中子撞擊鈾以後,在反應產物中找到了比鈾輕得多的產物,其原子量只有鈾的一半。如果伊雷娜的實驗是真的,那鈾原子核就真的被中子撞成兩大塊了!

哈恩實驗室的工作人員都不相信伊雷娜的實驗結果,一些人嘲笑伊雷娜:

「伊雷娜還指望利用從她光榮的母親那兒學到一點化學知識,其實這早已經過時了。」

哈恩訓斥了說諷刺話的人,但他也不同意伊雷娜的意見。因此他以私人名義寫了一封信給伊雷娜,建議她更細緻地重做一次實驗。哈恩認為自己夠客氣的了,否則他會在刊物上提出批評,那伊雷娜就會出大醜了!

但是伊雷娜一點也不領哈恩的情,她在前一篇文章的基礎上,又發表了第二篇文章,進一步肯定了第一篇文章的結果。哈恩生氣了,覺得伊雷娜太不自量,竟然完全不聽一下他的善意勸告,一意孤行。他氣惱地對助手斯特拉斯曼(Fritz Strassman,1902−1980)說:

「我不會再讀這位法國太太的文章!」

繼續閱讀:原子彈的發明原理,從一個被說荒謬的假設開始(下)

——本文摘自《科學大師的失誤》,2021年4月,時報出版。

時報出版_96
151 篇文章 ・ 28 位粉絲
出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。

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兩百年前的原子量是怎麼誕生的?
姚荏富_96
・2021/03/08 ・2200字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 547 ・八年級

說到原子量大家可能想到的就是什麼氧是 16、碳是 12……之類的元素與數字的關係,但你知道為什麼氧是 16 碳應該是 12 嗎?又或者原子量到底要用來幹嘛的呢?我想大部分的人在課堂中並不會得到比較具體的答案,所以筆者想在這裡和大家聊聊原子量到底是什麼。

原子量其實就是「一顆原子的質量」,今天如果想要測量一個物質的質量,通常是把物質放到天秤上來測量,但若要把「一顆原子」放到天秤上測量質量,並不是不可能啦,但這就要用到 2018 年的諾貝爾物理學獎的「光聶」技術,才有可能做到(當然,還有要用什麼砝碼來跟「一顆原子」平衡,什麼樣的天秤才足夠靈敏之類的問題)。

要把「一顆原子」放到天秤上測量質量,其實並不是不可能,但這就要用到 2018 年的諾貝爾物理學獎的「光聶」技術,才有可能做到。圖/Wikipedia

有趣的是,早在 18 世紀末期,原子量就出現了!還有具體的數字以及對照表(雖然說跟現在比起來有不少的誤差),兩百多年前可沒什麼「光聶」可以用,想必當時的科學家肯定不是用天秤量出「一顆原子」的質量,那這些原子量是怎麼出現的呢?

當年「元素」是物質的「最純形態」

在 18 世紀後期,科學家們將組成物質的「最純型態」叫做「元素」,而組成物質的「最小單位」叫做「原子」,在十八世紀以前雖然有「原子」這種講法,但當時「原子」與我們現在所學的概念並不相同,在更早以前的人認為所有的物質拆到最小都會是同樣的原子小球,會有不同元素的差異是因為原子排列方式的不同所造成。但其實「每種元素都有屬於自己的原子」,像是氫就有氫原子、氧就有氧原子,你是什麼元素就會決定你是什麼原子。

而這些概念的確立就要討論到 18 世紀末期科學家陸續發現的「定比定律」以及「倍比定律」兩大定律。

定比定律是同一種化合物他裡面的成分質量比都會是固定的,以水為例,水中含有氫與氧,但不管是你的合成水或是野外裝到的水,他的質量比都會是 1:8,這就好像上帝的食譜一樣,每個化合物都會有自己的元素配方和指定的質量比例。

而倍比定律呢?則是成份元素如果種類相同的話,每種物質他們的相同的元素也會出現簡單的整數比關係,舉例來說甲烷和乙烯,兩個都是由碳與氫組成的化合物,這時候分析裡面碳與氫的質量組成比例,就會發現當我碳固定質量時,甲烷和乙烯的的氫質量比就會呈現 2:1。

瞭解這兩個原理之後,科學家發現了相同化合物裡面的元素質量,和不同化合物的元素質量之間,都有著微妙的比例關係,但他們有一個問題遲遲無法解決,那就是不同元素的「一份」應該分別是多重。這時英國科學家道爾吞在 1803 年開了第一槍,他將化合物分為最簡單的二元 (AB)、三元 (A2B or AB2) 以及四元 (AB3 or A3B),並簡單粗暴的認定如果 A、B 兩種元素組合後只能有一種化合物的話,那這種化合物就會是一比一組成的二元化合物。現在看來這個判斷稍嫌武斷,但如果道爾吞沒有這樣定義的話原子量的概念就不會這麼早出來。

如果道爾吞沒有將化合物定義為最簡單的二元 (AB)、三元 (A2B or AB2) 以及四元 (AB3 or A3B),原子量的概念就不會這麼早出來。圖/Wikipedia

道爾吞依據前面的兩個定律與他提出的組成原則,將化合物中通常質量比數字都是最小的氫定為原子量 1(雖然現在我們的氫也是 1 但與這時的氫原子量概念並不完全相同),並以此為基準做了大量的原子量計算,像是根據氨的重量分析,其中氫和氮的重量組成 20:80,那依照上面氫原子量是一的情況下,氮的原子量就是 4(現在看是錯的喇因為當時他認為氨是 NH 但事實上氨是 NH3),又或者是根據水的重量分析,其中氫與氧的重量組成是 15:85,所以氧的原子量是 5.66,又在用氧的原子量去分析碳酸氣(二氧化碳),得出碳的原子量就是 4.5,以上述的原子量推定方式來看就可以知道原子量並不是一個絕對的數字,而是一個相對質量的概念,所以原子量又可以稱之為相對原子質量。

不過你可能會覺得 18、19 世紀的原子量跟我們現在學的數字根本就不一樣,但這又是另一個故事了,我們暫且打住。不過原子量的測定邏輯,基本上還是從道爾吞製作的第一張原子量表延續到現在,其概念就是「既然我們無法抓一顆原子來測定他的質量,我們還可以找出物質化合的質量比例,來找出不同元素的原子之間他們的相對質量」而這就是原子量的基本概念。

相關科學史事件

  •  1789年 愛爾蘭化學家希金斯發表《燃素與反燃素理論的比較》,除了支持拉瓦節的觀點外,他也推測原子只能按一定比例進行化合
  • 1792~1802年 李希特(J.B Richter)提出定比定律
  • 1799年 法國藥劑師普羅斯用人工與天然的鹽基碳酸銅去做測定,確定定比定律
  • 1800年 戴維在《化學和哲學研究》分析了N2O、NO、NO2的重量組成(倍比定律的起始)
  • 1801年 貝托萊在《親和力之定律的研究》中反對定比定律
  • 1803年 道爾吞在論文中假定原子按簡單比例化合
  • 1804年 道爾吞分析甲烷和乙烯之比例,提出倍比定律
  • 1808年 道爾吞出版《化學哲學新體系》

參考資料

  1. 化學通史 – 凡異出版
  2. 化學史傳 – 商務印書館

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姚荏富_96
3 篇文章 ・ 6 位粉絲
成大化學畢,文字/影像工作者,LIS初代科學史圖書館,著有《科學史上最有梗的20堂化學課》。興趣廣泛,涉足科普寫作、影像製作、投資理財、社會觀察、社群經營......技能樹持續擴張中,目標是將學會的知識或技能用有趣簡單的方式分享給大家。

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日本獲得命名權的113號元素,是怎麼誕生的呢?
艾粒安鈉
・2016/01/30 ・3762字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 567 ・九年級

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元素週期表再添新成員!在2016年元旦前夕,113號元素ununtrium,Uut)的發現獲得了官方認可,進入了元素週期表的大家族。由於113號元素非常不穩定、放射性極高,科學家花了十多年的心血,終於能製造這難以捉摸的元素,並重覆實驗結果,讓113號元素得以驗明正身!

核物理學家提出的「穩定島」(island of stability)假說,認為120、126號元素附近的元素原子核能夠長時間穩定存在;113號元素的發現,讓通往穩定島之橋逐漸成形,到底這號元素有何特別之處,背後又有什麼歷史呢?

element 113

發現還是發明?113號元素的早期研究

像113號元素這類的超重元素,由於壽命極短、稍縱即逝,而且形成條件極為嚴苛,在地球上並不自然存在,因此科學家與其說是發現超重元素,不如說是「發明」元素呢!實際方法是使用粒子加速器將兩個較輕的原子核相撞,發生核反應而融合成較重的原子核。

2003年八月,俄羅斯的杜布納聯合核研究所(JINR)與美國加州勞倫斯利福摩爾國家實驗室(LLNL)的合作計畫中,科學家利用鈣原子核(含20個質子)和鋂原子核(含95個質子)相撞,融合成115號元素原子核,此原子核再進行α衰變,放出含2個質子的氦原子核後,產生了113號元素:

CaAmUup1
CaAmUup2

由於從115號元素開始這條衰變鏈中的所有原子核,都是以往沒有發現過的,要以化學方式辨認這些元素的放射性衰變產物,才能證明當初的確產生了115號以及113號元素。理論上113號元素再經過四次α衰變之後,會產生屬於第五族元素的?(「金杜」,dubnium,Db),科學家也宣稱化學方法證明產生的?元素符合第五族元素性質。然而,2011年,國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)和國際純物理與應用物理聯合會(IUPAP)聯合小組認為,第四族元素與第五族元素的化學性質非常相似,無法以足夠的可信度區別,因此駁回了美俄聯合研究小組對113號元素的發現。

為何是日本團隊命名?日本理研再度發現

日本理化學研究所(簡稱理研,RIKEN)的仁科加速器研究所在1980年代開始發展粒子加速器的技術,並成功研發出世界最高粒子束密度的「理研重離子直線加速器」(RILAC,RIKEN Heavy-ion LINAC)。加上氣體充填型反跳分離器(GARIS,Gas-filled Recoil Ion Separator)的輔助,可以高效率分離並收集核反應的產物,超重元素的合成在2001年正式展開!

直線粒子加速器示意圖
直線加速器示意圖,帶電粒子經由每根電極管(drift tube)之間施加的電場不斷加速。來源:Cyberphysics.co.uk

理研由森田浩介博士領軍的科學團隊,利用加速的鋅原子核束(含30個質子),不斷撞擊鉍元素(含83個質子)的靶體,並在2004/7/23首度偵測到一顆113號元素的原子核:

ZnBiUut

這顆原子核衰變的產物?原子核,先前曾由P. A. Wilk在2000年發現;但理研製造的這顆?原子核,發生了核分裂,Wilk製造的則進行了α衰變。2005年四月,理研製得了第二顆113元素原子核,可惜的是,這顆原子核的衰變數據跟第一顆不盡相同;因為?原子核很不乖,有三分之二的機率會發生核分裂,只有三分之一的機率會進行α衰變,產生確定的產物。加上缺乏有力的化學證據來確認衰變產物,因此以上的發現依然沒有受到承認,與杜布納研究所在2003年的發現一併被駁回。(崩潰啊!)

兩次實驗結果不一致怎麼辦呢?再做第三次啊!這也是沒辦法的事……然而命運之神的捉弄,讓森田博士又花了七年的光陰,才終於在2012/8/12製造出第三顆113號元素原子核!或許受到森田博士鍥而不捨的努力精神感召,這一顆113號元素按部就班連續進行六次α衰變,形成含101個質子的元素鍆(mendelevium,Md)。其中最後兩次的衰變與先前的研究結果相當一致,最終產物鍆的形成也相當明確。行蹤成謎的113號元素,終於驗明正身,並獲得IUPAC/IUPAP聯合小組的官方認可。發現113號元素的競爭,最後由日本理研的森田博士取得勝利!

Uutdecay

113號元素的命名

在113號元素的發現尚未證實之前,根據IUPAC對新元素的暫時命名規則,以來自拉丁文的un(一)- un(一)- tri(三)編號,再加上-ium(元素)字尾,稱為ununtrium(Uut),中文就照字面翻譯為113號元素囉!小編記得以往104至109號元素尚未取得正式命名時,坊間許多元素週期表把這六個元素的暫時名稱,譯成[金四]、[金五]、[金六]、[金七]、[釟]、[釚]六個中文字,才擠得進元素週期表的小小格子裡!如今這幾個元素已有正式的中英名稱。

而官方在核准113號元素進入週期表的同時,也授予日本理化學研究所對此元素的命名權。這也是亞洲國家首度獲得元素命名權的榮耀時刻!目前提議的名稱有「日本元素」(Japonium,Jp)、「理研元素」(Rikenium,Rk)、以及紀念日本物理之父仁科芳雄的「仁科元素」(Nishinanium,Ns)。113號元素最後究竟叫什麼名字,讓大家拭目以待吧!待英文正式名稱確定後,中文以每個元素由單音文字為命名原則,又將掀起國內科學單位的一波討論,但無論如何,以後大家就不必用又臭又長的「113號元素」來稱呼它了!

  • 2017/2 y編按:第113號元素已正式命名為“Nihonium” ,符號為 “Nh“ ,由日本的日文發音就是 “Nihon” 再加上元素常見的後綴詞 “ium” 。中國將其中文名訂為“缺字圖片”,台灣尚未公佈正式名稱。

為何超重元素這麼難合成?

以前有居禮夫婦從上噸的瀝青鈾礦萃取出鐳的壯舉,現代則有科學家不斷運轉粒子加速器合出寥寥幾顆超重元素原子核的成就,兩者的嘔心瀝血程度堪可比擬!為何超重元素這麼難合成呢?首先有個問題要釐清:原子核是由質子和中子組成的,中子不帶電、質子帶正電,正正不是相斥嗎?為何原子核不會自動散掉呢?原來,基本粒子之間除了電磁力之外,還有一種強核力strong nuclear force,又稱強交互作用,strong interaction),既然如此稱呼,表示這股力量相當強大,勝過了質子之間互相排斥的電磁力。

就是這種強核力,把原子核中的質子和中子緊緊束縛在一起。然而,強核力的作用距離非常短,當原子核變得越來越大顆,強核力逐漸不敵質子之間的電磁排斥力量,造成原子核不穩定,會自發性放出一些粒子(衰變),變成更輕更穩定的原子核。這也是為什麼包含鉍(bismuth,Bi)在內以及更重(原子核含有更多質子)的元素都具有放射性,原子核越重就越不穩定、越難以合成和捕捉,元素表最後幾號的超重元素更是稍縱即逝,以113號元素為例,壽命只有數千分之一秒!

兩個原子核若距離較長,受到電磁力互斥;但當原子核距離夠近,強作用力將原子核之間拉近而融合。來源:維基百科
兩個原子核若距離較長,因電磁力(粉紅外圈)互斥;只有原子核距離非常近,強作用力(綠色內圈)才能將原子核之間拉近而融合。來源:維基百科

合成超重元素的科學意義

放射性如此強烈、倏忽即逝、合成又難如登天的元素,當然完完全全沒有實用價值了,那麼科學家為何明知山有虎,偏向虎山行呢?文中第一段提到的「穩定島假說」,大概是支持這些努力不懈的科學家最大的動力了。核物理學家發現,質子、中子數量是偶數的原子核,比奇數的原子核更加穩定,這也是為什麼114號元素鈇(flerovium,Fl)和116號元素鉝(livermorium,Lv)都比113號元素提早入住元素週期表。

更有甚者,質子、中子數量若為一些特別的「魔數」(magic number),這樣的原子核的穩定性更是大大增加。根據公式,126也是魔數,所以126號元素很可能反轉原子核越重越不穩定的趨勢。儘管距離126號元素依然有一段距離,但隨著新超重元素的發現,科學家的視線也越來越明朗,可以藉由不斷累積的實驗數據,逐步修正這個早在1960年代就提出的穩定島假說。憑藉著一股科學家的浪漫,朝著穩定島的亞特蘭提斯大陸航行吧!

穩定島示意圖。來源:維基百科
穩定島示意圖。來源:維基百科

參考文獻

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艾粒安鈉
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主修有機合成。對化學、天文、幾何學、地理、氣候、統計學、語言學、心理學、社會學、音樂和烹飪都有興趣。不願一生為學術研究爆肝,而熱愛為感興趣的學科認真寫科普文章,並用創意比喻和爛梗讓大家喜歡科學。多元性別,最高心跳210,海豚音到重低音一手包辦。