超铀元素为什么要人工合成

Question

超铀元素为什么要人工合成

Answer 1

在化学元素周期表中,第92号元素铀以后的化学元素称为超铀元素.迄今所发现的绝大部分超铀元素都是人工合成的放射性元素.20世纪30年代,元素周期表中最后一个元素是铀.1934年美国科学家费米认为铀不是元素周期表的终点,而存在原子序大于92的超铀元素.1940年,美国科学家麦克米伦等利用中子照射氧化铀薄片,发现了第一个人工合成的超铀元素———93号元素镎,从此开始了人工合成超铀元素的新时代.紧接着美国化学家西埔格又发现的第94号元素钚,他们两人都因对超铀元素的研究和发现而荣获1951年度诺贝尔化学奖.后来发现,镎和钚在自然界中也存在,主要是在铀矿中.然而,天然铀矿中的镎和钚含量极其微小,供研究和应用的全部超铀元素都由人工方法合成,其主要途径有两大类核反应.一类是中子俘获反应,利用铀为起始核,通过一次或几次俘获中子的核反应,再经一次或几次贝塔衰变,使铀核电荷———原子序增加一或几,获得超铀元素.例如核反应堆中铀经中子俘获和贝塔衰变生成钚,再进而生成95号元素镅和96号元素锔等；核爆炸时极高通量的脉冲中子使铀多次俘获中子,并连续多次贝塔衰变,生成比铀原子序大许多的超铀元素,直到99号元素锿和100号元素镄.另一类是带电子粒子核反应,加速器产生的高能粒子轰击做为靶子的元素,形成激发态的复合核,然后失去一定数目的中子,即合成比做为靶的元素更重的元素.例如,用加速到85兆电子伏的氮离子轰击60微克的锎-294靶,制得第105号元素.人工合成超铀元素,原子序越大,自发裂变几率越大,半衰期越短.101号元素锎同位素中半衰期最长的为56天,而106号和107号元素半衰期不到一秒,这给重元素的人工合成的鉴定带来很大困难.目前,世界上人工合成钚每年达数吨,镎、镅、锔年产量达数公斤,锎仅为数克,对原子序大于100的元素合成,产物少得可怜,一次实验往往仅能产生几十个甚至几个原子.例如,1955年第一次合成钔时,用阿尔法粒子轰击第99号元素锿-253原子,三个小时才产生1个钔-256原子.好在科学家们已经掌握了非常高超的辐射探测技术和仪器,他们在仪器上装了一个警铃,只要有一个钔原子生成,它衰变时放射出的标识辐射就会使警铃发出很响的声音,证明它的存在.从1940年以后,已经用人工合成的方法制得了从第93号到109号的17个超铀元素,约160多种同位素,其中美国、前苏联和欧洲的一些科学家做出的贡献最多.人工合成的超铀元素对核能的发展和利用有重要意义,钚’293是核反应堆和核电站的重要燃料,钚-238用于制造心脏起搏器,锎-252是理想的自发裂变中子源.此外,人工合成超铀元素对探索元素起源、扩展元素周期表、研究物质结构和星体起源和天体演化等都有重要意义.