【探索21-6】翻轉週期表的西伯格與人造超鈾元素

In 1980, Glenn Seaborg displays one of the cigar boxes in which he and his colleagues stored the first samples of plutonium-239. The cigar boxes were provided by his fellow chemist, G. N. Lewis. (© Roger Ressmeyer/CORBIS)

講師|臺灣大學物理系講座教授 熊怡
彙整撰文|蕭維翰

不知道各位讀者都看過「復仇者聯盟 — 終局之戰」了嗎?又有哪些讀者在前往終局之戰前細細將每一部漫威的作品又重新複習一次呢?

至今仍令筆者印象深刻的是在鋼鐵人二中的情節,Tony Stark 的身體深深為他胸口方舟反應爐內的鈀元素(palladium)所毒害,而在電影前半部,他上窮碧落下黃泉,也無法在(漫威宇宙中)現存的週期表內找到適當的替代能源,終於在神盾局長 Nick Fury 轉交他父親遺留下的筆記後,Tony 獲得靈感,自行在住處地下室工作室架起了一臺環形加速器合成了新的元素。

或許大多數人都沒有 Tony 的條件與經歷,然而想必絕大多數的讀者都探索,或至少翻閱過元素週期表。以我們從本系列演講所知,週期表並不是與生俱來就生得今日理化教科書中的樣貌,每一個元素的背後,都是前人無盡的探索。而今日走在研究前線的核化學家們,便必須走過和電影中類似的過程,去預測、合成、驗證尚未出現在週期表上的元素。

而本講的主角,便是近代核化學與合成元素的巨擘—Glenn T. Seaborg  (格林 . 西伯格)。

西伯格在 1937 年左右完成他的博士學位,在那個年代,週期表上較輕的元素大多已經被尋獲,更重的元素在地球的環境並沒有辦法穩定存在,亦即半衰期極短—在行成後不久便經由輻射過程衰變成其他較輕的原子核,也因此不能通過解析日常存在的化合物獲得。特別是超鈾元素(transuranium elements),泛指原子序大於 92 的元素,幾乎都必須仰賴人工合成。而掌握關鍵科技便成為在相關研究中領先的關鍵,而鋼鐵人二中 Tony 採用的方法 — 加速器,便是合成超鈾元素的神兵利器。

因緣際會,西伯格在加州大學柏克萊分校時,同在該校的 E. Lawrence 於 1930 年左右設計的迴旋加速器正邁向成熟。概略而言,從俯視的角度,一個迴旋加速器由垂直於外加磁場的兩個半圓區域組成,兩個半圓間夾著一個小間隔,間隔兩端通以交流電壓。高中物理告訴我們在磁場中一個帶電粒子會在垂直磁場的平面做圓周運動,而該圓的半徑與粒子的速率成正比,因而當粒子速率不高時,帶電粒子可以在兩個半圓區域中運動,並在通過小間隔時利用交流電壓來回加速,直到加速到適當的速率,旋轉半徑達到加速器的尺寸而離開艙室。這樣的設計比單純利用兩個平行電壓板加速有效得多,並為 Lawrence 贏得了諾貝爾獎。

西伯格也乘著天時地利,躋身為應用加速器在化學問題的先驅。粒子加速器合成元素的原理在於加速粒子撞擊特定的原子靶,使較輕的原子核在高能量與其他適當條件下和其他原子核完成融合。原理看似簡單,但分析實驗產出、演繹結論與驗證結果,每一步需要超群的化學洞見與嚴格的科學紀律。

然而初出茅廬的西伯格,在擔任博士後研究員的前兩年,便合成出了鐵跟碘的同位素,兩者在後來都具備實際的醫療價值。進入 1940 年代,奠基於合成錼(neputonium)的研究,西伯格發現了原子序 94 的鈽 -239(plutonium-239)在爾後的二十年間,作為主要領導者合成鋂(Americium)、鋦(Curium)、鉳(berkelium)等錒系元素,並參與了鉲(californium)、鑀(einsteinium)等六個超鈾元素的發現,其中包括以他自己名字命名的(seaborgium)— 該元素的命名也打破當時不以還在世的人物命名的慣例,作為發現超鈾元素的領頭羊,他和 E. McMillan 最終在1951 年獲頒諾貝爾化學獎。

細心的讀者或許注意到了很多元素都是所謂的錒系元素(actinides)。鑭系(lanthanides)與錒系兩行在週期表中一直是自成一個天地。即便在筆者還需要記憶週期表的年紀也不曾多思考它們為何部分地佔據了過渡金屬的位置,卻又另闢一隅,遺世獨立。學過量子力學的讀者或許會猜想,在仔細解決原子的薛丁格方程式後,元素在週期表上的位置應該都是「可以預測」的— 計算的實務(即便到今日)卻遠遠不然。試想若是我們發現了一些超鈾元素,我們要怎麼判斷這些元素應該如同前幾週期般排進過渡金屬,抑或跟上一個週期的鑭系一樣,另外拉出一行?

作為凡人,我們大可以忽視這樣遙遠的煩惱 ; 反之,對於發現超過一手元素的西伯格,這問題就是不可避免之重。面對這些新的超鈾元素,儘管最簡單的主意是將它們依序塞進過渡金屬,在通過後續實驗測試化學性質、並參考前一週期的鑭系特性,以西伯格為首的一群化學家提出錒系理論,說明在該週期有一行元素性質都與錒相近。

曾經有一個年代,我們對科學的想像還很侷限 ; 曾經有一個年代,我們認為最重的原子的原子序不會超過 100,而一些宗師,如西伯格橫空出世,以他們的洞見與努力,拓展了人類智識的疆界。週期表現在停在了原子序 118,但回顧科學史,我想我們有理由期待,這不會是週期表的盡頭。

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本文整理自:108/5/4由熊怡老師在臺大思亮館國際會議廳所主講之「翻轉週期表的西博格與人造超鈾元素」演講內容。

 

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