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透過改變原子核裡的質子數,就可以製造出新物質,現在能做到嗎?

本文基於回答網友類似的問題。我的回答是:當然可以,而且這早就是舊聞了。科學家早就知道了這個道理,而且這樣做了將近100年了,才有了現在的118種元素,其中有26種都是透過人工改變原子核的質子數製造出來的。

透過改變原子核裡的質子數,就可以製造出新物質,現在能做到嗎?

當然這26種元素本來在自然界就應該存在,否則人工是無法制造出來的。但問題是有些元素在自然界太過稀有,很難獲得;還有些元素半衰期太短,比如有些氣態元素在自然條件下很難存在1秒鐘,只能透過人造獲得。

元素週期表是人造元素的設計依據

元素週期表是人類最偉大的科學發現之一,它把一些看起來不相關的元素羅列在一起,逐漸形成一個自然元素的完整體系,促進了現代化學發展,對揭示自然物質的奧秘,從而讓人類更深刻地認識自然規律,具有里程碑式的意義。

透過改變原子核裡的質子數,就可以製造出新物質,現在能做到嗎?

最早發表元素週期表的是俄國化學家門捷列夫,他於1869年推出了第一代元素週期表,之後,各國化學家不斷地推出並完善了各種元素週期表,漸漸,元素週期表成為現代化學不可替代的一種工具。

現在全世界各種元素週期表一共有170多種。在元素週期表裡面,元素以原子序數排列,最小的排在1號,一橫行為一個週期,一列為一個族;原子半徑由左到右逐步減小,從上到下依次增大。

現在元素週期表有七主族、七副族、Ⅷ族、0族。元素按照在週期表中的順序編號,編號就是原子序數。原子序數與元素的原子結構關係為:質子數=原子序數=核外電子數=核電荷數。

透過改變原子核裡的質子數,就可以製造出新物質,現在能做到嗎?

門捷列夫的元素週期表剛形成時,還只有63個元素,他把這些元素根據大小依次排列,成功地預測了當時還沒有發現的鎵、鈧、鍺;隨著元素週期表的成熟,人們不斷髮現元素排列的規律,不斷髮現中間缺少的元素,對於元素的性質也認識越來越深刻。

因此,元素週期表的重大意義之一,就是引導科學家們尋找其中缺失的元素,簡單地說,就是原子序數間隔的元素。在自然界找不到的元素,就試著人工製造。這時人們已經知道了元素的性質是由原子中的質子數量決定的,因此只要改變原子的質子數量,就可以得到新的元素。

比如在元素週期表中,已經有了42號元素鉬和44號元素釕,人們知道這兩種元素的核子中質子數分別為42個和44個,在它們中間必定有一種新元素,如果質子變成43個,就可以得到這種新元素。

透過改變原子核裡的質子數,就可以製造出新物質,現在能做到嗎?

但如何讓核子中的質子改變數量呢?科學家們前赴後繼地摸索了許多年。

一直到1937年,美國加州大學伯克利分校物理學家歐內斯特·勞倫斯利用自己發明的迴旋加速器,用1號元素的氘原子核“轟擊”41號元素的鉬原子核,得到了43號元素。這是人類取得的第一個人造元素,將其命名為“鎝”(Tc),而“鎝”在希臘文中的原意就是“人工製造的”的意思。

26種人造元素都是透過“做加法”取得

現在,人類發現宇宙中存在的元素一共有118種,其中有92種元素在自然界獲得,26種元素透過人工製造獲得。人工製造元素的方法無一例外都是採用“做加法”方法取得。

透過改變原子核裡的質子數,就可以製造出新物質,現在能做到嗎?

何謂“做加法”?就是採用兩個原子序數較小的元素融合成一個較大的元素,這種“做加法”的方法專業術語就是核融合或者說核聚變。人造的第一個元素“鎝”,就是用只有1個質子的氘核轟擊42個質子的鉬核,融合成43個質子的“鎝”核,這樣“鎝”就得到了。

要做這個“加法”是非常不容易的,需要極高的壓力和溫度,才能夠讓原子核融合在一起。因此人們雖然在20世紀初就發現了做加法可以取得新元素,但苦於沒有方法做到這一點,只能望梅止渴而無法實現。

一直到1931年,勞倫斯發明出了迴旋加速器,可以將原子核在這種裝置中加速到極高能量,然後讓兩種原子核相撞,才為人工製造新元素提供了可能。後來,他用自己的加速器製造出了第一個人工元素“鎝”,由此他獲得了諾貝爾物理學獎。

透過改變原子核裡的質子數,就可以製造出新物質,現在能做到嗎?

人們把他發明的這種迴旋加速器稱為“原子大炮”,意思是可以將原子核像炮彈一樣以極高速度轟擊另一個原子核,當然這個速度比炮彈快了很多倍。

所有的人造元素都是透過這種“做加法”的方法得到,如:科學家們用原子序數為5的硼轟擊原子序數為98的鉲,得到原子序數為103的鐒;用原子序數為24的鉻轟擊原子序數為82的鉛,得到106號元素釒喜;用原子係數為20的鈣,轟擊原子序數為98的鉲,得到原子序數為118的氣奧(Og)。

人類的發現永遠在路上,沒有止境

迄今為止,人造元素有26個,即:43號鎝(T)、61號鉕(Pm)、95號鋂(Am)、96號鋦(Cm)、97號鉳(Bk)、98號鉲(Cf)、99號鑀(Es)、100號鐨(Fm)、101號鍆(Md)、102號鍩(No)、103號鐒(Lr)、104號釒盧(Rf)、105號釒杜(Db)、106號釒喜(Sg)、107號釒波(Bh)、108號釒黑(Hs)、109號釒麥(Mt)、110號鐽(Ds)、111號錀(Rg)、112號鎶(Cn)、113號釒爾(Uut/Nh)、114號鈇(Fl)、115號鏌(Mc)、116號鉝(Lv)、117號石田(Ts)、118號氣奧(Og)。

透過改變原子核裡的質子數,就可以製造出新物質,現在能做到嗎?

可能大家很奇怪,裡面有些中文字是一個偏旁加上一個字,這是因為這些元素的中文字元電腦還無法打出來,遵循認字認半邊的傳言,大家姑且這麼叫吧。

至此,元素週期表中所有空缺都填補完畢,以後再發現新元素,就是118號以後的元素了。除了43號和61號,後面的人造元素都是放射性元素,在自然界丰度極小,極不穩定或半衰期很短,故自然界很難獲得,而且有些即便人造出來,也很難儲存。

比如118號元素Og,科學家們在迴旋加速器裡面試驗了無數次,只在2003年和2005年的試驗中,分別得到3個原子。只有3個原子啊,極其精密的儀器才能夠監測到,這種元素的半衰期只有12毫秒,也就是瞬間消失了。

透過改變原子核裡的質子數,就可以製造出新物質,現在能做到嗎?

許多科學家們還在合成更高序號的元素,甚至一些名字都取好了,如119號元素Uue、120號元素Ubn,還有121號等,但要得到這些元素越來越難,迄今還只存在於想象中。元素週期表最終能排到多少序號,頗有爭議,只能拭目以待。

總之,隨著現代科學的發展,人類對自然規律的認識越來越深刻,對化學元素的認識也將不斷突破。科學永遠在路上,在不斷髮現和修正中前行,伴隨並促進著人類文明不斷進步。你怎麼看?歡迎討論,感謝閱讀。

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分類: 健身
時間: 2022-01-13

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