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这个以爱因斯坦命名的元素,终于开始露出真面目
2022-09-15

美国伯克利实验室的科学家们对这种高放射性元素进行实验,揭示出锿元素意料之外的性质。

伯克利实验室团队成员,左起:Leticia Arnedo-Sanchez,Katherine Shield,Korey Carter,Jennifer Wacker。图片来源:Marilyn Sargent/Berkeley Lab

来源 美国能源部/劳伦斯伯克利国家实验室

翻译 谢一璇

审校 戚译引

1952 年,美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(以下简称伯克利实验室)首次从一颗氢弹的碎片中发现了第 99 号元素——锿(Einsteinium)。在那之后,很少有科学家对它进行实验。这是因为锿元素非常难获得,并且有极高的放射性。近日,伯克利实验室的一个化学家团队克服了这些阻碍,首次报告了对锿元素特征的研究,推开了更好地了解其余锕系超铀元素的大门。

这项研究发表在《自然》(Nature)杂志,题为“锿化合物的结构和光谱特性”(Structural and Spectroscopic Characterization of an Einsteinium Complex)。伯克利实验室的 Rebecca Abergel 和洛斯阿拉莫斯国家实验室的 Stosh Kozimor 为论文共同主要作者(lead author),参与者包括来自这两所实验室的科学家,以及来自加州大学伯克利分校和乔治敦大学的研究人员,其中几位是研究生和博士后。他们使用不到 250 纳克的锿元素,首次测得了锿的化学键键距,这是元素与其他原子和分子相互作用的基本属性。

“我们对锿知之甚少,”Abergel说。他领导着伯克利实验室的重元素化学研究组,同时也是加州大学伯克利分校核工程系的助理教授,“我们能够用如此少量的材料进行无机化学研究,是一个了不起的成就。这项研究意义重大,因为我们对锿元素的化学行为了解得越多,就越可能将其应用到新材料或新技术的开发中。这不仅限于对锿元素的研究,对于其他锕系元素也一样。我们还可以在元素周期表中建立趋势。”

转瞬即逝且难以获得

Abergel 和她的团队使用伯克利实验室的分子铸造(Molecular Foundry)设备和 SLAC 国家加速器实验室的斯坦福同步辐射光源(SSR),进行发光光谱和 X 射线吸收光谱实验。这两种设备都属于美国能源部办公室科研用途设备,在几十年前首次发现锿元素时是不存在的。

在研究的开始,获得可以使用的样品就几乎花费了一半的努力。“整篇论文就是一连串不走运事件总和。”Abergel 吐槽道。

研究中用到的材料来自橡树岭国家实验室的高通量同位素反应堆(High Flux Isotope Reactor),这是世界上仅有的能够制造锿的几个反应堆之一,制造过程需要用中子轰击锔靶以触发长链核反应。研究团队遇到的第一个问题是,提取纯净的锿非常困难,制造出的样品中混合了大量的锎。

因此,他们不得不改变使用 X 射线晶体学的研究思路——这种方法一度被认为是获得高放射性分子结构信息的黄金准则,但要求使用纯金属样品。研究团队设计了另一种制作样品和利用元素的方法。洛斯阿拉莫斯的研究人员对此提供了关键性的帮助,他们设计了一种独特的样品支架,以克服由于锿的固有特性带来的挑战。

第二个挑战是元素的放射性衰变。伯克利实验室的研究团队使用锿-254 进行实验,这是锿元素较稳定的同位素之一,有 276 天的半衰期(半数的实验材料衰变的时间)。尽管在新冠大流行之前,该团队已经完成了大部分实验,但是疫情发生后,计划中的后续实验由于封城而不得不中断。当他们去年夏天可以回到实验室时,大部分的样品已经衰变了。

测量键距,探索更多可能

尽管如此,研究人员还是设法测出了锿的键距,并发现了锿的一些特殊物理化学行为。这些发现超出了原有的对锕系元素(元素周期表最下面一行元素)的预期。

“确定键距听起来没什么新意,但是这是理解金属元素如何与其他分子结合的首要参数。它能帮助我们了解这种元素会与其他原子和分子发生怎样的化学反应。”Abergel 说。

一旦科学家知道了包含锿元素的分子中的原子排布方式,他们就可以尝试寻找有趣的化学物质,并进一步加深对元素周期趋势的理解。“通过获得这些数据,我们对整个锕系的行为有了更进一步的认识。在锕系中,存在对核能生产和放射性药物非常有帮助的元素或同位素。”她说。

值得期待的是,这项研究还带来了探索元素周期表边缘之外的物质、发现新元素的可能。“我们确实开始对元素周期表末端有了更多的了解,接下来,你可以设想以锿为靶来发现一个新的元素,”Abergel 说,“类似于过去十年中最新发现的元素,比如第 117 号元素 Tennessine(Ts),就是使用锫作为靶发现的。如果能够提纯足够量的锿来制成靶,你就能够开始寻找新的元素,理论上可以进一步接近‘稳定岛’。”据核物理学家的预测,“稳定岛”中的同位素可能有长达数分钟甚至一天的半衰期,而不是超重元素常见的几微秒甚至更短的半衰期。