超铀元素发现的历史及其命名经过.pdf

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1、超铀元素发现的历史及其命名经过应用化学联合会(IUPAC)审定通过，结束了20 余年来元素命名的纷争。最近，新元素的中文名字被中国科学技术名词审定委员会化学名词审定分委员会审定， 予以公开使用。 从此，检字表内又添新的汉字成员。 新时代的仓颉们使命完成了， 但是，化学教育工作者的任务开始了。如何完成任务呢？这还须从头说起！ 因为命名与元素发现有关， 也与元素在周期表中的位置有关。超铀元素的发现1939 年，美国加州大学的核物理学家麦克米伦(E. M. McMillan)在研究铀核裂变时，为测量裂变碎片的路程设计了一个简单实验。 他拿一叠锡箔纸， 在最上一张放了薄薄一层氧化铀，并用回旋加速器靶体

2、所产生的快中子流照射。 然后，用盖革计数器测量每张锡箔纸的辐射强度。原以为，有氧化铀薄层的阻挡，辐射强度会减弱，出乎意料的是，辐射强度反而增大了。这促使麦克米伦回到费米的设想上来，“可否认为，有一些中子被铀吸收并没有引起裂变，而是进一步发生 衰变，这岂不是产生93 号元素？这种同位素和裂变碎片不同，是不会飞离氧化铀的”。这时，华盛顿研究院的埃布尔森(P. H. Abelson)来到加州大学，判明它是铀的同位素经过 辐射嬗变产物，其半衰期为2.3 天。该核反应是他们仔细地研究了这种粒子，指出它是第 93 号元素的同位素，是一种超铀元素。他们把这种元素命名为镎(Neptunium，元素符号是 Np

3、)。这来源于海王星(Neptune)一词，而海王星的轨道是在天王星(Uranus)轨道之外(铀是以天王星命名的)。用快中子或氘核辐射铀，在美国加州大学伯克利分校很快就制出了镎的其他同位素。最重要的商品镎是 237Np，半衰期长达 2.2109 年，具有 放射性1940 年，美国化学家西博格(G. T. Seaborg)等用氘核轰击铀，制出了第 94 号元素钚(Plutonium，元素符号是 Pu)，其反应是Pu 又能发生裂变链锁反应，是最重要的核反应堆燃料，其半衰期是 22400 年，具有 放射性。半衰期最长的钚同位素是Pu，半衰期为8107 年，也是 放射性。用对铀和镎的命名方法将第二个超铀

4、元素命名为钚(Plutonium)，它来源于冥王星(Pluto)一词。钚同位素与慢中子反应，其反应方式与铀同位素 235U 的反应方式相同，即当它们分裂时，会产生很大的能量并释放出一些中子。 这样，它就在战争中对原子弹的制造计划起了重大作用。后来，制造方法得到改进，使钚投入大规模生产。西博格等认识到，超铀元素形成的特殊系列锕系过渡元素系列类似于稀土元素的镧系系列。于是，西博格和他的同事们得以预言未知的超铀元素的化学性质， 并能将它们分离出来。西博格的名字与若干超铀元素的发现，即首次分离，联系在一起。由于西博格在超铀元素方面的研究成果，他和麦克米伦分享了1951 年诺贝尔化学奖。至于 99 号和

5、 100 号元素，则是热核爆炸的产物(1952 年)，它们的发现有些出乎意料。应该指出，这些发现应正确地归功于几个研究小组。过去，对成果归属问题曾发生过争论。与西博格类似的工作已在前苏联由弗廖罗夫(G. Flerov)进行过。弗廖罗夫是前苏联核物理学家，毕生致力于发现和人工合成新元素及其同位素。他和同事们在回旋加速器中用重离子轰击重的原子核， 生成并分析了锕系和超锕系的102107 号元素的同位素。 他们还宣称首先鉴别出了超锕系的104 号(1964 年)和 107 号(1968 年)元素。这一荣誉属于谁，目前仍有争议。但是他们在 1987 年宣布首次合成第 110号元素肯定没有被证实。 其实

6、这类事件在科学的征途上所见不鲜， 无损于弗廖罗夫这位优秀的核科学家的声誉。在向超铀元素进军的征途中，还要提到美国核物理学家吉奥索(A. Ghiorso)。1942 年，他在西博格领导下从事钚的研究， 负责维修和设计仪器，在新元素的合成和鉴定方面， 做出了一系列重大贡献。1943 年，他改进了高几何因子的计数技术，并用云母片吸收法测量了 粒子的射程，促成了元素锔和镅的发现。1946 年，随西博格进行锫和锎的合成和鉴定研究，他发展了 48 道脉冲高度分析器，为这两种元素的发现创造了条件。1952 年，他和同事们从热核爆炸的尘埃中分析超锎组分， 先后发现了元素锿和镄。 1955 年，发现了元素钔。合

7、成和鉴定钔后面的元素更为困难。为此，吉奥索设计了直线重离子加速器。后来又提出了“将直线重离子加速器与高能加速器(Bevatron)相连接”的设想。根据这一设想，建成了世界上第一台能加速重离子的高能加速器(Bevalac)。到 1978 年为止，他作为主要研究者，又合成了 102107 号元素，并于 1973 年获美国化学会核应用奖。1984 年，联邦德国达姆斯塔特重离子研究所的明岑贝格(G. Munzenberg)用被加速的铁离子轰击铅靶，得到了 108 号元素。实验中共记录了三个 265108 原子，其寿命值分别为24 毫秒、22 毫秒、34 毫秒。通过测定 265108 的衰变链子体 25

8、3No 的方法，明岑贝格由此确证了 108 号元素的合成，109 号元素，是明岑贝格等人用被加速的铁离子轰击铋靶合成的，那是在1982 年。在长达一星期的合成实验中，共使用了 61017 个离子，只获得了一个新元素原子。用测量266109 的衰变链子体的方法，最终确证109 号元素的合成。从 89 号元素锕到 103 号元素铹，形成了第二个稀土族锕系元素。在元素周期表中，它们和镧系相对应。这样，四分之三世纪前门捷列夫提出的周期表又一次得到修正， 这是对元素周期表的重大发展，是发现新的超铀元素的指路明灯。1964 年1984 年间，美国、 前苏联和联邦德国的核物理学家合成了104109 号元素。

9、但是， 它们的寿命太短， 而且所得产量太少， 难以充分研究它们的化学性质。 根据锕系理论，103 号元素铹有 14 个 5f 电子(满壳层)，104 号元素是锕系后的第一个元素，属于 6d 过渡元素，应与其在周期表中同族的铪相似，而不同于锕系元素。随着对核性质认识的进展， 对周期表高原子序一端的各元素的化学， 有了更深入的认识。锕系的最后一个元素是铹，这个预言是由于实验表明第 104 号元素具有预期的 IVB 族元素的性质而得到肯定。这一例证，将对高 Z 值元素化学性质的预测置于一个更牢固的立足点上。命 名 问 题西博格曾建议将 95 号元素命名为镅(Americium， 元素符号是 Am)以

10、对应于 63 号元素铕(Europium，元素符号是Eu)；将96 号元素命名为锔(Curium，元素符号是Cm)纪念居里夫妇， 以对应于64号元素钆(Gadolinnium， 元素符号是Gd)纪念芬兰化学家加多林(J.Gadolin)；将 97 号元素命名为锫(Berkelium，元素符号是 Bk)纪念超铀元素发祥地伯克利(Berkely)，以对应于 65 号元素铽(Terbium，元素符号是 Tb)纪念稀土元素发祥地伊特比(Ytterby)。从98 号元素起没有合适的对应名字，98 号元素被命名为锎(Californium，元素符号是Cf)以纪念美国加利福尼亚州。1952 年发现了 99

11、号元素锿(Einsteinium，元素符号是 Es)，1952 年发现了 100 号元素镄(Fermium， 元素符号是 Fm)， 它们的命名是为了纪念爱因斯坦(1955 年逝世)和费米(1954年逝世)。1955 年，101 号元素被发现，为了纪念门捷列夫，将其命名为钔(Mendelevium，元素符号是 Md)。1957 年，102 号元素被发现，命名为锘(Nobelium，元素符号是No)，这是为了纪念斯德哥尔摩的诺贝尔研究所，也间接地纪念诺贝尔 (A. B. Nobel)。1961 年，103号元素被发现，为了纪念劳伦斯(那时他已去世)，将它命名为铹(Lawrencium，元素符号是L

12、r)。至此，锕系元素已全部被发现，亦即 5f 亚层的电子全部填满，它们和镧系元素相对应。但是，自 104 号元素起，在命名问题上出现分歧，前苏联科学家把他们合成的 266104号元素命名为Kurchatovium，元素符号定为Ku，以纪念前苏联物理学家库尔恰托夫(.)；而美国科学家则把他们合成的261104号元素命名为 Rutherfordium，元素符号定为 Rf，以纪念英国原子物理学家卢瑟福。对 105 号元素，前苏联科学家把他们制得的 260105 号元素命名为 Nielsbohrium，元素符号定为 Ns，以纪念丹麦科学家玻尔；而美国科学家则坚持把他们发现的261105号元素命名为 H

13、ahnium，元素符号为 Ha，以纪念核裂变的发现者，德国科学家哈恩。104 号和 105 号元素的上述命名，都没有得到国际公认。1977 年 8 月，国际化学协会无机组宣布了一项决定(不过没有约束力)，从104 号元素起，不再以人名、国名和地名来命名， 而是根据新元素的原子序数来命名， 即用拉丁文的数词组合起来， 然后在词尾加上“ium”。这样一来，104 号元素的名称就为 Unnilquadium，符号是 Unq。105 号元素的名称为Unnilpentium，符号是Unp。不过，这样的规定没有什么约束力。各国的科学家，仍然根据自己元素发现优先权，作出自己认为恰当的命名。经过 20 多年的

14、争论，到了 1997 年，周期表上原子序数 104 号到 109 号这 6 个元素终于有了正式名称。IUPAC执委会提出，104 号元素应叫做 Rutherfordium，105 号至 109 号元素应分别叫做 Dubnium、Seaborgium、Bohrium、Hassium 和 Meitnerium。这 6 个元素，除 Dubnium 是以前苏联杜布纳联合核子研究所所在地 Dubna、Hassium是以联邦德国达姆斯塔特重离子研究所所在地的州名命名外， 其余都是使用著名科学家的英文名字来命名的。词尾的“ium”三个字母是化学元素名称常用的后缀。到目前为止，元素周期表上前 109 个元素，

15、都有了自己的名称和相应的元素符号。最近，103 号以后的 6 个元素的中文名称，由中国科学技术名词审定委员会化学名词审定分委员会审定予以公开使用。它们是(Rf)、(Db)、(Sg)、(Bh)、(Hs)、(Mt)。过去，元素的发现者常有权为该元素命名。元素的名称，也多采用一些著名科学家的名字来命名。用一个国家的科学家的名字来命名某个元素，常常被看作这个国家的巨大荣誉。也正是由于这个原因，104 号至 109 号元素才迟迟没有被命名。106 号元素是美国科学家发现的。 1994 年，该元素的发现者们要求用元素的主要发现者西博格的名字为其命名，但IUPAC拒绝了这一要求，理由是西博格还活着(注：西博格已与于 1999 年 2 月 25 日去世)，不能用一个尚健在的人为一个化学元素命名。但美国人反对，因为 1952 年分别以爱因斯坦和费米的名字将99 号、100 号元素命名为 Einsteinium 和Fermium 时，他们都健在。1997 年 8 月，在日内瓦举行的IUPAC会议终于同意这一要求，将 106 号元素命名为 Seaborgium。