周期表新发现:锿元素基本特性获揭示

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  1952年,美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室在第一颗氢弹的碎片中发现了元素周期表上的第99号元素——锿。自那以后,科学家很少用它进行实验,因为它很难创造,而且具有极强的放射性。

  近日,伯克利实验室的化学家克服了这些障碍,报告了第一个表征锕系元素某些特性的研究,为更好了解锕系其他超铀元素打开了大门。

  这项日前发表于《自然》的研究由劳伦斯伯克利国家实验室Rebecca Abergel团队和洛斯·阿拉莫斯国家实验室Stosh Kozimor团队领衔,加州大学伯克利分校、乔治敦大学的科研人员也参与其中。该团队用不到250纳克的锿元素,测量了锿的化学键长度,这是元素与其他原子和分子相互作用的基本属性。

  “我们对锿元素知之甚少。”伯克利实验室重元素化学小组负责人、加州大学伯克利分校核工程系助理教授Abergel说,“利用这么少的材料进行无机化学研究,是一个了不起的成就,意义重大。我们对它的化学行为了解越多,就越能将这一理解应用到新材料或新技术的开发中,不仅限于锿元素,也包括其他锕系元素。我们可以建立周期表的趋势。”

  Abergel团队使用了几十年前锿元素发现时所没有的实验设施——伯克利实验室的分子工厂和斯坦福大学SLAC国家加速器实验室的斯坦福同步辐射光源(SSRL),进行了发光光谱和X射线吸收光谱学实验。

  实验材料在橡树岭国家实验室的高通量同位素反应堆中制造,这是世界上仅有的几个能够制造锿元素的地方之一,涉及用中子轰击铯靶,以引发一系列的核反应。

  研究人员遇到的第一个问题是样品被大量的锎污染了,制造出足够数量的纯锿极具挑战性。因此,他们不得不取消使用X射线晶体学的计划。后来,研究人员提出了一种制作样品的新方法,并利用了元素特定的研究技术。洛斯·阿拉莫斯国家实验室研究人员在这一步提供了关键帮助。

  与放射性衰变作斗争是另一个挑战。伯克利实验室团队用锿—254进行实验,这是该元素比较稳定的同位素之一,有276天的半衰期。然而,该团队的一部分后续实验因为新冠疫情而中断,去年夏天,当他们被允许重返实验室时,大部分样本消失了。尽管如此,研究人员还测量出了锿的化学键长度,并发现了一些与锕系元素不同的物理化学行为。

  当科学家有了这张包含锿元素的原子排列图,他们就可以尝试寻找有趣的化学性质,提高对周期趋势的理解。

  “通过获取这些数据,我们对整个锕系元素的行为有更好、更广泛的了解。在这个系列中,含有对核能生产或放射性药物有用的元素或同位素。” 

  这项研究还提供了探索元素周期表之外的可能性,并可能发现一种新元素。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-020-03179-3

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