2025年高考超鈾元素發(fā)現的歷史及其命名經(jīng)過(guò)

　　應用化學(xué)聯(lián)合會(huì )(IUPAC)審定通過(guò)，結束了20余年來(lái)元素命名的紛爭。最近，新元素的中文名字被中國科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì )化學(xué)名詞審定分委員會(huì )審定，予以公開(kāi)使用。從此，檢字表內又添新的漢字成員。新時(shí)代的倉頡們使命完成了，但是，化學(xué)教育工作者的任務(wù)開(kāi)始了。如何完成任務(wù)呢？這還須從頭說(shuō)起！因為命名與元素發(fā)現有關(guān)，也與元素在周期表中的位置有關(guān)。

　　超鈾元素的發(fā)現

　　1939年，美國加州大學(xué)的核物理學(xué)家麥克米倫(E.M.McMillan)在研究鈾核裂變時(shí)，為測量裂變碎片的路程設計了一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)驗。他拿一疊錫箔紙，在最上一張放了薄薄一層氧化鈾，并用回旋加速器靶體所產(chǎn)生的快中子流照射。然后，用蓋革計數器測量每張錫箔紙的輻射強度。原以為，有氧化鈾薄層的阻擋，輻射強度會(huì )減弱，出乎意料的是，輻射強度反而增大了。這促使麥克米倫回到費米的設想上來(lái)，“可否認為，有一些中子被鈾吸收并沒(méi)有引起裂變，而是進(jìn)一步發(fā)生β衰變，這豈不是產(chǎn)生93號元素？這種同位素和裂變碎片不同，是不會(huì )飛離氧化鈾的”。這時(shí)，華盛頓研究院的埃布爾森(P.H.Abelson)來(lái)到加州大學(xué)，判明它是鈾的同位素經(jīng)過(guò)β輻射嬗變產(chǎn)物，其半衰期為2.3天。該核反應是

　　他們仔細地研究了這種粒子，指出它是第93號元素的同位素，是一種超鈾元素。他們把這種元素命名為镎(Neptunium，元素符號是Np)。這來(lái)源于海王星(Neptune)一詞，而海王星的軌道是在天王星(Uranus)軌道之外(鈾是以天王星命名的)。

　　用快中子或氘核輻射鈾，在美國加州大學(xué)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，半衰期長(cháng)達2.2×109年，具有α放射性。

　　1940年，美國化學(xué)家西博格(G.T.Seaborg)等用氘核轟擊鈾，制出了第94號元素钚(Plutonium，元素符號是Pu)，其反應是

　　Pu又能發(fā)生裂變鏈鎖反應，是最重要的核反應堆燃料，其半衰期是22400年，具有α放射性。半衰期最長(cháng)的钚同位素是Pu，半衰期為8×107年，也是α放射性。用對鈾和镎的命名方法將第二個(gè)超鈾元素命名為钚(Plutonium)，它來(lái)源于冥王星(Pluto)一詞。

　　钚同位素與慢中子反應，其反應方式與鈾同位素235U的反應方式相同，即當它們分裂時(shí)，會(huì )產(chǎn)生很大的能量并釋放出一些中子。這樣，它就在戰爭中對原子彈的制造計劃起了重大作用。后來(lái)，制造方法得到改進(jìn)，使钚投入大規模生產(chǎn)。

　　西博格等認識到，超鈾元素形成的特殊系列——錒系過(guò)渡元素系列類(lèi)似于稀土元素的鑭系系列。于是，西博格和他的同事們得以預言未知的超鈾元素的化學(xué)性質(zhì)，并能將它們分離出來(lái)。西博格的名字與若干超鈾元素的發(fā)現，即首次分離，聯(lián)系在一起。

　　由于西博格在超鈾元素方面的研究成果，他和麥克米倫分享了1951年諾貝爾化學(xué)獎。

　　至于99號和100號元素，則是熱核爆炸的產(chǎn)物(1952年)，它們的發(fā)現有些出乎意料。

　　應該指出，這些發(fā)現應正確地歸功于幾個(gè)研究小組。過(guò)去，對成果歸屬問(wèn)題曾發(fā)生過(guò)爭論。與西博格類(lèi)似的工作已在前蘇聯(lián)由弗廖羅夫(G.Flerov)進(jìn)行過(guò)。

　　弗廖羅夫是前蘇聯(lián)核物理學(xué)家，畢生致力于發(fā)現和人工合成新元素及其同位素。他和同事們在回旋加速器中用重離子轟擊重的原子核，生成并分析了錒系和超錒系的102～107號元素的同位素。他們還宣稱(chēng)首先鑒別出了超錒系的104號(1964年)和107號(1968年)元素。這一榮譽(yù)屬于誰(shuí)，目前仍有爭議。但是他們在1987年宣布首次合成第110號元素肯定沒(méi)有被證實(shí)。其實(shí)這類(lèi)事件在科學(xué)的征途上所見(jiàn)不鮮，無(wú)損于弗廖羅夫這位優(yōu)秀的核科學(xué)家的聲譽(yù)。

　　在向超鈾元素進(jìn)軍的征途中，還要提到美國核物理學(xué)家吉奧索(A.Ghiorso)。1942年，他在西博格領(lǐng)導下從事钚的研究，負責維修和設計儀器，在新元素的合成和鑒定方面，做出了一系列重大貢獻。1943年，他改進(jìn)了高幾何因子的計數技術(shù)，并用云母片吸收法測量了α粒子的射程，促成了元素鋦和镅的發(fā)現。1946年，隨西博格進(jìn)行锫和锎的合成和鑒定研究，他發(fā)展了48道脈沖高度分析器，為這兩種元素的發(fā)現創(chuàng )造了條件。1952年，他和同事們從熱核爆炸的塵埃中分析超锎組分，先后發(fā)現了元素锿和鐨。1955年，發(fā)現了元素鍆。

　　合成和鑒定鍆后面的元素更為困難。為此，吉奧索設計了直線(xiàn)重離子加速器。后來(lái)又提出了“將直線(xiàn)重離子加速器與高能加速器(Bevatron)相連接”的設想。根據這一設想，建成了世界上第一臺能加速重離子的高能加速器(Bevalac)。到1978年為止，他作為主要研究者，又合成了102～107號元素，并于1973年獲美國化學(xué)會(huì )核應用獎。

　　1984年，聯(lián)邦德國達姆斯塔特重離子研究所的明岑貝格(G.Munzenberg)用被加速的鐵離子轟擊鉛靶，得到了108號元素。實(shí)驗中共記錄了三個(gè)265108原子，其壽命值分別為24毫秒、22毫秒、34毫秒。通過(guò)測定265108的衰變鏈子體253No的方法，明岑貝格由此確證了108號元素的合成，

　　109號元素，是明岑貝格等人用被加速的鐵離子轟擊鉍靶合成的，那是在1982年。在長(cháng)達一星期的合成實(shí)驗中，共使用了6×1017個(gè)離子，只獲得了一個(gè)新元素原子。用測量266109的衰變鏈子體的方法，最終確證109號元素的合成。

　　從89號元素錒到103號元素鐒，形成了第二個(gè)稀土族——錒系元素。在元素周期表中，它們和鑭系相對應。這樣，四分之三世紀前門(mén)捷列夫提出的周期表又一次得到修正，這是對元素周期表的重大發(fā)展，是發(fā)現新的超鈾元素的指路明燈。

　　1964年—1984年間，美國、前蘇聯(lián)和聯(lián)邦德國的核物理學(xué)家合成了104～109號元素。但是，它們的壽命太短，而且所得產(chǎn)量太少，難以充分研究它們的化學(xué)性質(zhì)。根據錒系理論，103號元素鐒?dòng)?4個(gè)5f電子(滿(mǎn)殼層)，104號元素是錒系后的第一個(gè)元素，屬于6d過(guò)渡元素，應與其在周期表中同族的鉿相似，而不同于錒系元素。

　　隨著(zhù)對核性質(zhì)認識的進(jìn)展，對周期表高原子序一端的各元素的化學(xué)，有了更深入的認識。錒系的最后一個(gè)元素是鐒，這個(gè)預言是由于實(shí)驗表明第104號元素具有預期的IVB族元素的性質(zhì)而得到肯定。這一例證，將對高Z值元素化學(xué)性質(zhì)的預測置于一個(gè)更牢固的立足點(diǎn)上。

　　命名問(wèn)題

　　西博格曾建議將95號元素命名為镅(Americium，元素符號是Am)以對應于63號元素銪(Europium，元素符號是Eu)；將96號元素命名為鋦(Curium，元素符號是Cm)紀念居里夫婦，以對應于64號元素釓(Gadolinnium，元素符號是Gd)紀念芬蘭化學(xué)家加多林(J.Gadolin)；將97號元素命名為锫(Berkelium，元素符號是Bk)紀念超鈾元素發(fā)祥地伯克利(Berkely)，以對應于65號元素鋱(Terbium，元素符號是Tb)紀念稀土元素發(fā)祥地伊特比(Ytterby)。從98號元素起沒(méi)有合適的對應名字，98號元素被命名為锎(Californium，元素符號是Cf)以紀念美國加利福尼亞州。

　　1952年發(fā)現了99號元素锿(Einsteinium，元素符號是Es)，1952年發(fā)現了100號元素鐨(Fermium，元素符號是Fm)，它們的命名是為了紀念?lèi)?ài)因斯坦(1955年逝世)和費米(1954年逝世)。1955年，101號元素被發(fā)現，為了紀念門(mén)捷列夫，將其命名為鍆(Mendelevium，元素符號是Md)。1957年，102號元素被發(fā)現，命名為锘(Nobelium，元素符號是No)，這是為了紀念斯德哥爾摩的諾貝爾研究所，也間接地紀念諾貝爾(A.B.Nobel)。1961年，103號元素被發(fā)現，為了紀念勞倫斯(那時(shí)他已去世)，將它命名為鐒(Lawrencium，元素符號是Lr)。至此，錒系元素已全部被發(fā)現，亦即5f亞層的電子全部填滿(mǎn)，它們和鑭系元素相對應。

　　但是，自104號元素起，在命名問(wèn)題上出現分歧，前蘇聯(lián)科學(xué)家把他們合成的266104號元素命名為Kurchatovium，元素符號定為Ku，以紀念前蘇聯(lián)物理學(xué)家庫爾恰托夫(З.В.Кулвчатов)；而美國科學(xué)家則把他們合成的261104號元素命名為Rutherfordium，元素符號定為Rf，以紀念英國原子物理學(xué)家盧瑟福。對105號元素，前蘇聯(lián)科學(xué)家把他們制得的260105號元素命名為Nielsbohrium，元素符號定為Ns，以紀念丹麥科學(xué)家玻爾；而美國科學(xué)家則堅持把他們發(fā)現的261105號元素命名為Hahnium，元素符號為Ha，以紀念核裂變的發(fā)現者，德國科學(xué)家哈恩。

　　104號和105號元素的上述命名，都沒(méi)有得到國際公認。1977年8月，國際化學(xué)協(xié)會(huì )無(wú)機組宣布了一項決定(不過(guò)沒(méi)有約束力)，從104號元素起，不再以人名、國名和地名來(lái)命名，而是根據新元素的原子序數來(lái)命名，即用拉丁文的數詞組合起來(lái)，然后在詞尾加上“ium”。

　　這樣一來(lái)，104號元素的名稱(chēng)就為Unnilquadium，符號是Unq。105號元素的名稱(chēng)為Unnilpentium，符號是Unp。不過(guò)，這樣的規定沒(méi)有什么約束力。各國的科學(xué)家，仍然根據自己元素發(fā)現優(yōu)先權，作出自己認為恰當的命名。

　　經(jīng)過(guò)20多年的爭論，到了1997年，周期表上原子序數104號到109號這6個(gè)元素終于有了正式名稱(chēng)。IUPAC執委會(huì )提出，104號元素應叫做Rutherfordium，105號至109號元素應分別叫做Dubnium、Seaborgium、Bohrium、Hassium和Meitnerium。

　　這6個(gè)元素，除Dubnium是以前蘇聯(lián)杜布納聯(lián)合核子研究所所在地Dubna、Hassium是以聯(lián)邦德國達姆斯塔特重離子研究所所在地的州名命名外，其余都是使用著(zhù)名科學(xué)家的英文名字來(lái)命名的。詞尾的“ium”三個(gè)字母是化學(xué)元素名稱(chēng)常用的后綴。到目前為止，元素周期表上前109個(gè)元素，都有了自己的名稱(chēng)和相應的元素符號。

　　最近，103號以后的6個(gè)元素的中文名稱(chēng)，由中國科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì )化學(xué)名詞審定分委員會(huì )審定予以公開(kāi)使用。它們是?(Rf)、?(Db)、?(Sg)、?(Bh)、?(Hs)、?(Mt)。

　　過(guò)去，元素的發(fā)現者常有權為該元素命名。元素的名稱(chēng)，也多采用一些著(zhù)名科學(xué)家的名字來(lái)命名。用一個(gè)國家的科學(xué)家的名字來(lái)命名某個(gè)元素，常常被看作這個(gè)國家的巨大榮譽(yù)。也正是由于這個(gè)原因，104號至109號元素才遲遲沒(méi)有被命名。

　　106號元素是美國科學(xué)家發(fā)現的。1994年，該元素的發(fā)現者們要求用元素的主要發(fā)現者——西博格的名字為其命名，但IUPAC拒絕了這一要求，理由是西博格還活著(zhù)(注：西博格已與于1999年2月25日去世)，不能用一個(gè)尚健在的人為一個(gè)化學(xué)元素命名。但美國人反對，因為1952年分別以愛(ài)因斯坦和費米的名字將99號、100號元素命名為Einsteinium和Fermium時(shí)，他們都健在。1997年8月，在日內瓦舉行的IUPAC會(huì )議終于同意這一要求，將106號元素命名為Seaborgium.

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