神秘的第99号

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：二宗主，图：岳岳子，头图来自：视觉中国

一

1952年11月1日，一个名为“Ivy Mike”的热核装置在太平洋的Elugelab岛上被引爆，这是历史上首个氢弹爆炸试验，它所释放的能量是利用核裂变的原子弹的4倍。

 1952年11月1日，Ivy Mike核试验爆炸。| 图片来源：The Official CTBTO Photostream/Wikimedia

从这枚氢弹爆炸后留下的放射性尘埃中，科学家发现了一种未知的元素，那便是元素周期表中的第99号元素。为了纪念爱因斯坦对核聚变和裂变等理论所作出的巨大贡献，研究团队将其命名为——锿（Einsteinium, Es）。

二

这是一种非常稀有的元素，在地球的自然环境中，这种元素并不存在，只能通过特定的核反应堆才能以极其微小的量产生。当时，在Ivy Mike所残留的“化学碎片”中，科学家只发现了大约200个这样的原子。直到1961年，科学家才得以在实验室中合成了第99号元素。

锿有着极强的放射性，因此研究人员在研究这种元素时，必须时刻佩戴防护装备。不仅如此，它还会迅速衰变，并且难以从其他元素中分离，所以研究锿元素是一件极具挑战的事情。几十年来，物理学家对锿的化学特性几乎一无所知。

 约300毫克锿。| 图片来源：Public Domain

直到最近，美国劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员成功的制造出了足量的锿，然后对其进行一系列的基本测试。研究结果刊登在了近期的《自然》杂志上，标志着实验化学和基础科学上的一个重大突破。

三

 第99号元素锿（Es）属于元素周期表中的锕系元素。

在元素周期表中，锿被排列在锕系元素一列。与锕系元素中的其他元素一样，锿也需要通过用中子和质子轰击目标元素以产生更重的元素而形成。

锿有许多同位素，它们的共同特点是几乎都有着非常短的半衰期。以常见形式锿-253为例，它的半衰期就只有20天，这意味着，每20天之后，锿的量就会衰变到只剩一半。几个月后，原本就数量微量的锿就会几近消失。

 以爱因斯坦命名的第99号元素：锿（Es）。

在新的研究中，研究人员使用橡树岭国家实验室的一个核反应堆来对锿进行制备，那是世界上少数几个可以制造锿的地方之一。不过，这个核反应堆的原本实验目标是制造另一种元素——锎（Californium, Cf），锿只是作为副产物出现，因此产生的量非常少。

除了量少之外，从锎中分离出纯锿样品也是一件非常具有挑战性的任务，因为这两种元素之间存在一定的相似性，这又更进一步地减少了研究人员最终能够得到的锿。

然而，尽管困难重重，研究人员最终得到了200纳克（1纳克=10⁻⁹克）的锿-254，这是锿元素中最稳定的同位素之一，其半衰期约为275.5天，它会分解成锫-250，释放出具有高度破坏性的伽马辐射。研究人员可以通过观察由如此微量的锿-254所发出的放射性信号，来分辨这种罕见的元素。

对于这项研究来说，艰难的部分还远没有结束。除了得到足以进行实验的锿之外，研究人员还需要解决的一个难题是找到一个合适的地方来存放它。他们设计了一种特殊的样品存放支架用来存放锿-254，以保护进行实验的科学家免受辐射的伤害。

四

在解决了种种难题后，研究人员需要做的就是争分夺秒地对日渐衰变的锿进行研究，因为每过去一个月，他们就会失去7.2%的锿。从事这项研究的科学家其实早已习惯处理半衰期较短的元素，然而这项研究在开始之时赶上了COVID-19的爆发，这使得他们失去了许多宝贵的时间，无法完成计划中的所有实验。

尽管如此，研究仍然得到了可喜的结果。他们测量了锿的键距（两个键合的原子之间的平均距离），这是一个基本的化学性质，它能帮助科学家预测锿如何与其他元素相互作用。他们发现，锿的键长与锕系元素的总体趋势相反——这是一个曾被理论预测过的性质，但是从未被实验证明过。

此外，与锕系的其他元素相比，锿在光照下的发光方式也有所不同。研究人员表示，这是一种前所未有的物理现象，需要进一步的实验才能确定背后的原因。

至关重要的是，研究人员还设法测量了锿的价态，即原子上的电荷。这是一个在化学中非常重要的参量，它决定了构成宇宙的原子的形状和大小。锿恰好位于元素周期表的一个模棱两可位置，所以确定它的原子价将有助于我们更好地理解元素周期表应该如何排列。

五

对化学家来说，这是一项带来希望的研究，它开创了新的领域，为在非常微小的量上进行化学研究奠定了基础。它意味着，未来，化学家可以利用相同的方法对其他的重元素进行研究，从而揭示出更多构成了这个世界的化学物质。

此外，这项研究还将使得锿元素的创造变得更加容易。未来，制造出的锿或将被用作为一个目标元素，进而创造出其他更重的元素，包括一些未被发现的元素，比如假想中的119号元素。一些化学家的终极目标之一就是发现半衰期仅为几分钟或者几天的“假想”超重元素，而这项研究将有可能让化学家们离这个目标更进一步。

#参考来源：

https://www.livescience.com/einsteinium-experiments-uncover-chemical-properties.html

https://theconversation.com/einsteinium-100-years-after-einsteins-nobel-prize-researchers-reveal-chemical-secrets-of-element-that-bears-his-name-154447

https://www.nature.com/articles/s41586-020-03179-3

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：二宗主，图：岳岳子