原子序第113超重元素的發現與命名

Posted on 2016/01/04 in 元素, 化學, 新知, 物質組成, 科技報導 with 沒有迴響 12,980 views

原子序第113超重元素的發現與命名
東京大學理學博士黃郁珊編譯/國立臺灣大學科學教育發展中心陳藹然博士責任編輯

在週期表裡，元素以原子序來排列，原子序代表原子核中的質子數目，具有相同質子數（但不同中子數）的原子有著同樣的化學性質，這些原子稱之為同位素。雖然同位素擁有相同的化性，因為原子核的穩定性不同也因此具有不同的生命長度。質子數低於或等於92的鈾為止都可以從自然界直接發現，比鈾更重的元素是透經由人工合成確認其存在。尤其是原子序104號以上，被稱為超重元素的元素，因為產量極少，難以僅透過化學性質的分析結果來證明新元素的合成，加上所有的超重元素都不安定，會在短時間內衰變為更安定的元素，因此要證明新元素的合成非常重要但又非常困難的一點就在於，確認該元素產生衰變鏈並轉變成已知的較輕原子核。

新元素的探索對化學和物理兩方面的學問來說都是重要的研究題目。1869年俄國化學家門得列夫提倡的「元素週期表」中從氫（H: 原子序1）到鈾（U: 原子序92）之中僅列出63種。到2015年為止則有114種獲得認定。有關新元素的發現，是由「國際純粹與應用化學聯合會 (IUPAC: International Union of Pure and Applied Chemistry)」與「國際純粹與應用物理聯合會 (IUPAP: International Union of Pure and Applied Physics)」推薦5人所組成的聯合工作小組「JWP : Joint Working Party」進行審查。IUPAC會基於JWP的審查結果，認定發現新元素的研究團隊，並將新元素的命名權授予該團隊。2015年底IUPAC認定日本理化學研究所（以下簡稱理研）仁科加速器研究中心超重元素研究團隊為中心的團隊（領導人森田浩介為九州大學教授，以下簡稱森田團隊）所發現的「113號元素」為新元素，並在2015年12月31日通知授予該團隊以發現者的身分為新元素命名的權利。這是史上首次將命名權授予歐美各國以外的研究團隊。元素週期表中將首次加入來自亞洲國家，日本的元素。

圖1 即將被命名的113號元素在周期表中的位置是介於鎶（Cn, 原子序112）與鈇（Fl, 原子序114）之間。這次JWP認定了113號元素﹑115號﹑117號及118號新元素的發現，所以週期表第7周期的元素已經全員到齊。115與117號元素的發現者為俄羅斯JINR ﹑美國LLNL與美國Oak Ridge National Laboratory (ORNL) 。 118號元素的發現者為俄羅JINR 與美國LLNL。

113 號元素發現的過程

2003年，俄羅斯聯合核研究所 (Joint Institute for Nuclear Research, JINR) 中的弗雷洛夫核反應實驗室 (Flerov Laboratory of Nuclear Reactions, FLNR) 與美國勞倫斯利福摩爾國家實驗室 (Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL) 的聯合研究團隊進行將鈣同位素（⁴⁸Ca: 原子序20，原子量48）的原子束射向鋂（²⁴³Am: 原子序95，原子量243）、鉳（²⁴⁹Bk: 原子序97，原子量249）、鉲（²⁴⁹Cf: 原子序98，原子量249）的實驗，合成115號、117號、118號元素，並捕捉到這些元素連續衰變的過程，因而主張包含113號元素在內的4個元素的發現。

理研從1980年後半開始合成超種元素的準備研究，森田團隊使用理研的放射性同位素原子束工廠「Radioactive Isotope Beam Factory (RIBF)」的重離子線性加速器「RILAC (RIKEN Heavy Ion LINAC)」，從2001年起正式開始超重元素的合成實驗。因為當時在德國GSI亥姆霍茲重離子研究中心 (GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research) 已合成出107至112號的超重元素，所以理研的森田團隊從GSI所合成的元素的重測 (test–retest) 實驗起步，在很短的時間之內成功合成108號、110號、111號元素。2003年9月，該團隊將鋅（⁷⁰Zn: 原子序30，原子量70）的原子束射向鉍（²⁰⁹Bi: 原子序83，原子量209），開始113號新元素的合成實驗。在實驗開始後10個多月的2004年7月23日，首次成功觀測到連續4次的α衰變，以及其後分列為二的自發分裂 (spontaneous fission)（圖2）。

圖2 2004年首次成功合成113號元素之前，森田團隊製造了約50兆次的鋅鉍衝撞（79天, 每秒2.4兆個鋅原子束射向鉍）。第二次的成功合成是100天衝撞的結果，第三次則是350天。第1與第2次的合成觀測到113號元素的同位素（原子序113，原子量278）發生連續4次衰變，以及之後（Db: 原子序105，原子量262）一分為二的自發分裂。第3次的合成觀測到接續4次衰變的2次衰變，並確認最後轉變為鍆（Md: 原子序101，原子量254）。

已知同位素的α衰變，其衰變為止的時間（壽命）與因衰變而放出的能量都已獲精確掌握。森田團隊所觀測到的4次α衰變的壽命與能量，與已知的同位素（²⁶⁶Bh: 原子序107，原子量266）發生α衰變時的壽命與能量精確達到一致。而且同位素經過α衰變而生成的同位素（²⁶²Db: 原子序105，原子量262）會以差不多1/3的機率發生自發分裂。原子序經過1次α衰變會減2，因此可以說發生4次α衰變後會轉變為同位素的原子核是，105+2+2+2+2=113號元素無誤。隔年2005年4月2日也同樣觀測到連續4次的α衰變與自發分裂。

森田團隊在7年後的2012年8月12日觀測到連續6次的α衰變。這次觀測所得到的α衰變壽命與能量，與已知的同位素，同位素，以及鐒（²⁵⁸Lr: 原子序103，原子量258）在α衰變時的壽命與能量精確達到一致，實驗結果使人確信6次α衰變後的結果是轉變成鍆（²⁵⁴Md: 原子序101，原子量254）。同位素除了自發分裂，有2/3的機率會發生α衰變。也就是說森田團隊以同位素確認了兩種現象。此外透過分析2009年進行的同位素（Bh: 原子序107，113號元素發生3 次α衰變後生成的原子核）直接合成實驗所得的32例α衰變鏈，證實上述3例衰變系列的確經由同位素。森田團隊基於這些結果認為113號元素的合成毫無疑問，並主張113號元素的發現。透過上述結果，認定新元素時注重的「衰變成已知同位素」即獲得證實。

森田團隊主張3次合成成功的「113號元素」為新發現的元素。雖然俄國與美國的聯合研究團隊較早（2003年）透過別的方法合成113號元素且用更多的合成例主張他們的發現，但其實所有實驗結果都存在衰變後沒有轉變成已知同位素的問題，因此JWP審查兩個研究團隊的研究結果是否符合認定標準時，以森田團隊觀測到的113號元素確實與已知原子核有關等理由，向IUPAC報告森田團隊為 113號元素的發現者，並得到IUPAC的認定。今後，森田團隊將提出113號元素名稱與元素符號的建議。目前的可能建議名稱有：Japonium （Jp, 日本）、Rikenium （Rk, 理研）和Nishinanium （仁科芳雄，日本現代物理學之父）。若IUPAC / IUPAP審查提案後認為適當，約1年後新元素的名稱將由IUPAC / IUPAP 發表。

森田團隊獲得認定的經過

森田團隊因為在2004年﹑2005年﹑2012年所合成的3個113號元素的衰變過程中，彼此間α衰變的能量與壽命的測定值沒有矛盾，衰變的結果的確連結到已知的原子核，再加上2009年所進行的同位素直接合成實驗中以不同的合成過程觀測到相同的衰變過程，使得他們發現113號元素的主張獲得認可。

113號元素發現的審查從2007年開始。森田團隊以2004年與2005年共計2次成功合成113號元素為由主張其發現，但因為合成成功的次數太少等理由，在當時被認為主張不充分。

之後，JWP在2012年重啟113號元素發現的審查。於是森田團隊在之前的2例合成成功之外，再提出透過2009年成功的同位素合成可以從別的合成過程確認113號元素合成時的衰變過程，以及在2012年合成的113號元素衰變成已知的原子核鍆，主張其發現。森田團隊為世上唯一一組確認113號元素的衰變過程是到達已知原子核的團隊，而這正是本次發現者認定的關鍵。

今後的展望

在超重元素的領域，因為原子核的核電荷大所以電子軌域變化大（相對論的效果），理論上預測會出現從輕元素的週期性無法推測的特殊性質。開發處理1個原子的終極微量元素分析技術，透過實驗釐清新發現的元素的化學性質與電子構造，是今後化學的重要課題。在超重元素研究的未來，還存在著的未知領域包括，探索尚未發現的119號之後的新元素﹑探索存在於被稱為「穩定島 (Island of stability)」的未知領域的原子核(這個領域中的原子核的壽命推測因量子力學效果而極長)與釐清週期表上第7•8周期元素的化學性質等。

參考資料與圖片來源：