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“打开”原子核 探索同位素

冯杰

2023年09月22日 02:36

周江
光明日报( 2023年09月21日 16版)

不久前,一个多国联合研究小组首次观测到氧28,它是有史以来最重的氧同位素(含有8个质子和20个中子)。它的发现之所以这么重要,是因为按照理论预测,氧28极可能是稳定的,但实际上它只存在非常短暂的时间,就迅速衰变分解了。这意味着,人们之前对于原子模型的假设和规律的认知存在一定偏差。同时,也为进一步了解元素及其同位素的形成、原子结构模型、强弱相互作用等重大基本问题提供了新的思路和挑战,有可能会引发相关领域的理论革新。

发现原子核里的微观世界,分析物质的基本组成

关于物质的基本组成问题,早在数千年前古人就开始思考。比如古希腊的四根说(四元素说)、中国古代的阴阳五行学说,都是人们对于世界本质认知的代表理论。公元前5世纪的古希腊学者德谟克里特认为,任何事物都是由一种不可再分的微粒,也就是原子所构成的。《墨子·经下》中“非半弗斫,则不动,说在端”也指出,物质不断分割到无法再分时的物质叫作“端”。这些都是原子理论的雏形,直到2000多年后的20世纪初,人们才搞清楚原子的结构。

人们对原子的认识伴随着对元素的研究不断发展。18世纪末,卡文迪许、舍勒、普里斯特利、拉瓦锡相继发现并完善氧和氢元素的性质,19世纪成为元素研究的高峰期,一个又一个元素的发现让人们进一步认识物质的组成,并开始总结一些规律。

1803年,英国科学家道尔顿提出了物质(元素)都是由不可分的微粒——原子构成的,每种元素的原子都有自己特殊的质量——原子量。1869年,俄国科学家门捷列夫基于元素质量与其化学性质的周期性变化提出了大名鼎鼎的元素周期表,十分准确地预测了一些未知元素的性质。直到此时,人们都还是相信,原子是不可再分的粒子。

直到1897年,英国科学家汤姆生通过测定阴极射线在电磁场下的运动速度和偏转角度,计算出这种带负电的阴极射线粒子质量仅为氢元素的约两千分之一,这就是我们现在熟知的电子。比原子更小的电子对原子不可再分理论提出了挑战,汤姆生据此提出了带正电的原子表面镶嵌着电子的“葡萄干布丁”模型。1911年,汤姆生的学生卢瑟福做了一个著名的α粒子散射实验,用带正电荷的α粒子(即氦4原子核)轰击金箔,发现大部分α粒子直接穿透了金箔,同时有极少部分的氦离子被大角度散射甚至反射了回来。卢瑟福由此推断原子内部结构并不是均匀分布,而是集中在一个非常小的范围内,提出了电子绕着带正电的原子核运动的“行星结构”模型。

1919年,卢瑟福继续用α粒子轰击氮气。过程中,他发现氮释放出一种与氢原子核质量和电荷一致的粒子,将其命名为质子。从而证明了原子核可以再分,这是历史上第一次人工核反应。不过,从原子核的电荷推测出的质子数与大部分原子的质量却对不上——大部分原子的质量都比其中的质子加电子重很多。与此同时,还发现一些具有相同质子数的原子却具有不同的质量,因此卢瑟福猜测原子核内部还有一种不带电的中性粒子。1932年,卢瑟福的学生查德威克用α粒子轰击铍,产生了一种不带电的射线,再用此射线轰击氢气、氮气,结果打出了氢核和氮核,通过测定被打出氢核和氮核的速度,发现这种未知射线的质量和质子接近,确证了中子的存在。至此,由质子、中子、电子组成的经典原子结构模型建立起来,卢瑟福也被誉为“核物理之父”。

找到同位素,探索善变的元素世界

在研究原子内部结构的过程时,科学家们也观察到了一些放射性元素衰变的现象和规律,卢瑟福和英国化学家索迪在研究钍、镭、锕等放射性元素后,于1903年提出了元素嬗变理论:放射性属于原子自身变化,放射出α、β、γ射线后,变成另一种原子,直至稳定为止。其中α射线正是卢瑟福在发现原子核和质子、中子实验中使用的氦离子(α粒子),β射线是电子,γ射线是光子。这一时期从铀、钍等放射性元素中不断分离出一个个“新”放射性元素,多到元素周期表中没有足够的空位放进这些“新”元素,然而这些元素中,有不少元素化学性质却是一致的。因此在整理这些数据后,索迪于1910年提出了著名的同位素假说:存在着不同原子量和放射性而其他物理化学性质相同的化学元素变种,应在元素周期表上占据同一个格子。

此后不久,人们就分别从铀238和钍232得到铅206和铅208。1912年,汤姆生为了深入研究电子,改进了带有电场和磁场的仪器,让氖原子核通过仪器,结果检测板上出现了两条轨迹。他将氖气反复提纯,结果依旧,说明存在两种原子量的氖。这是稳定同位素存在的第一个实验证据,这台分离氖同位素的仪器就是第一台质谱仪。后来他的学生阿斯顿改进了质谱仪的精度,进一步检测到氖确实具有两种原子质量的同位素氖20和氖22,此后陆续从其他71种元素中发现了200多种同位素。由于分辨率更高,阿斯顿借助质谱仪得到了各个同位素的比例,如氖20∶氖22约9∶1,所以氖的原子量是20.2;氯元素的主要同位素是氯35和氯37,大致比例为3∶1,所以氯的原子量就是35.5。

而随着中子的发现,原子内部的秘密终于被揭开。同位素就是一种元素存在着质子数相同而中子数不同的一系列原子。由于质子数相同,所以同位素的电荷和电子数都相同,并具有相同的化学性质;但由于中子数不同,同位素的原子质量也就不同,原子核的稳定性(放射性)也有所不同。迄今发现的118种元素中,稳定同位素近300种,只有20多种元素未发现稳定的同位素,而放射性同位素多达3000多种,所有的元素都有放射性同位素。有意思的是,质子数为偶数的元素比质子数为奇数的元素有更多的稳定同位素,通常不少于3个,而且大多数具有偶数个中子;而质子数为奇数的元素,最多只有2个稳定同位素,一般只有1个,而且也几乎是偶数个中子。此外,随着质子数(原子序数)的增长,元素丰度急剧下降,这些规律与原子核的内部结构和稳定性具有什么样的关联,成为科学家们的下一个兴趣点。

幻数和稳定岛,具有魔力的原子核

为了合理地解释原子核内部的多核子系统,伽莫夫最早提出了“液滴模型”,把原子核描述成一种由中子和质子组成的密度极高且不可压缩的液滴。后来德国科学家魏茨泽克和贝特在此模型基础上发展了半经验公式,来量化原子核结合能。运用液滴模型能很好地解释结合能、质量公式以及原子核的裂变现象。如果给予足够的额外能量,球形的原子核可能会扭曲成哑铃状,然后分裂成两个碎片并释放能量。但是,液滴模型却并不能解释原子核性质的周期性变化现象。

液滴模型公式得到的结合能与实验值之间存在一些偏差,尤其是当质子数或中子数为2,8,20,28,50,82,126时,原子核具有特别大的结合能(稳定性)。观察到这些现象后,美国科学家梅耶提出了“幻数”(Magic Number)概念:当质子或中子数为幻数时,原子核比较稳定;而当两者均为幻数时,原子核因具有双倍的“魔力”而特别稳定。像我们熟知的氦4(2个质子和2个中子)、氧16(8个质子和8个中子)、钙40(20个质子和20个中子)、铅208(82个质子和126个中子),这几个天然稳定同位素都是这种双幻数的原子核。

为了解释幻数理论,梅耶和德国物理学家简森在1949年各自独立地提出了原子核的“壳层模型”:与原子核外的电子类似,原子核内部也有不同能级的壳层;质子和中子并不是随意排列的,而是从最低能级开始填充壳层,填满后就会形成一个闭壳层;所有壳层都是闭壳层时,原子核具有特别的稳定性。不难看出,壳层模型更好地解释了原子核性质的周期律和幻数的存在。一个很好的证据就是钙48,它有20个质子和28个中子,属于双幻数原子核,虽然其中子数比正常的钙40多了8个,具有放射性,但依然非常稳定,半衰期超过60亿年!

由此,我们也就应该明白为何科学家们如此期待氧28的观测。氧28的原子核中有8个质子和20个中子,具备双幻数的条件,是极可能稳定的原子核,虽然实验结果并非预测的那样,氧28在大约10-21秒内就衰变成了4个中子和1个氧24原子。值得一提的是,在本次观测氧28的实验中,富含中子的钙48就是最初始的炮弹,用它轰击铍靶产生氟29后,再轰击液氢靶,使氟29丢掉一个质子,产生氧28。

在壳层模型基础上,美国化学家西博格在20世纪60年代末提出了“稳定岛假说”。他将质子数和中子数作为坐标系的x、y轴,原子核稳定性作为z轴,可以观察到各个稳定同位素都大致处于一条“稳定山脉”上,越接近幻数的同位素越稳定;另一方面,当质子和中子数越高时,同位素越不稳定,但仍然有可能在114号、120号、126号元素附近存在一个“稳定岛”,对应的中子数为184左右。遗憾的是,这几个预测可能稳定的同位素还没有合成观测到,但是科学家们也在稳定岛理论指引下合成了一批新的元素,如元素周期表106号以后的元素,几乎都是这样发现的。

对于幻数和稳定岛理论,科学家们也有一些新的发现。如117号同位素衰变的产物铹266显示出11小时的半衰期,对如此重元素的原子来说是非常长的;它有103个质子和163个中子,暗示了尚未发现的可能幻数。还有学者报道,6、14、16、30、32也可能是新的幻数。我国和其他国家科学家在2007年合作发现,108号元素[~符号~]270半衰期长达22秒,远超[~符号~]265(不到半毫秒),间接验证了模型和理论预言的质子数108和中子数162也可能是幻数。

壳层模型成功预言了在双幻核附近的超重核存在,但只能针对球形核,无法解释非球形原子核的核子振动和转动等规律,因此丹麦科学家小玻尔和莫特森在1953年提出了原子核的“集体模型”(也称统一模型),综合考虑原子核中单粒子运动和集体运动,结合了壳层模型和液滴模型来解释两者都无法单独解释的某些原子核的磁性和电学性质。

应用同位素,造福人类

科学家发现或合成的各类同位素有3000多种,究竟有什么用途呢?我们知道,大多数在自然界中天然存在的元素都存在一种或几种稳定的同位素,这种在自然界无处不在的特性使得同位素应用具有普遍性,在地质土壤、农业食品、临床药物、生态环境等领域有着广泛应用。

首先,元素的同位素丰度比常常是固定的,但在自然界的多种物理、化学、生物作用下,又会在某一时期、某一地域产生小幅的波动,因此稳定同位素保存着自然界一定的时空信息,对于研究特定物质的溯源、转化具有重要价值。比如氧同位素就可以提供关于古大气、古海洋、古生物和古气候等方面的信息,通过测量海洋沉积物中硫酸盐的氧17同位素,可以推断出过去大气中氧气含量的变化。又如食品领域,常常使用碳13、氮15等同位素差异,对有机蔬菜、水果、植物油、葡萄酒、咖啡等进行产地溯源或掺假鉴定。

其次,稳定同位素氘、碳13、氮15、氧18等,可以作为示踪剂来标记化合物,配合质谱、核磁共振、光谱等分析手段,来测定、追踪化合物中某个或多个特定原子是否参与反应,从而定性、定量地了解反应的机理、途径、位点等,在蛋白质定量组学、代谢研究、环境分析、临床研究等领域已经成为高效率、高灵敏度的标准方法。特别是在医学领域,因为没有放射性,稳定同位素示踪剂可以用于包括孕妇、婴儿的任何患者,如PET诊断试剂、碳13-呼气法检测幽门螺杆菌等。

稳定同位素的制备一般可以从自然界中分离得到,如广泛使用的重水就可以从水中通过蒸馏、电解或化学方式分离提取,进而制备各类氘代试剂。氘代试剂也是核磁共振检测使用的溶剂,并可用于对OLED面板进行氘化处理,能显著提升器件亮度和寿命。此外,与氘能发生核聚变反应的氦3也是稳定同位素,因为聚变过程中不产生中子,所以放射性小,有望成为清洁、安全、高效的核燃料。

所有的元素都有放射性同位素,相对于稳定同位素,放射性同位素具有一定的半衰期,通常可人工制备。由于同位素的半衰期几乎是恒定的,因此可以用来定年。比如地球的年龄就是根据岩石和陨石中的铀元素和其衰变产物铅元素进行测定的,还有大家熟知的碳14断代,就是通过检测有机样本中衰变剩余的碳14含量来确定样品的大致年代。

由于放射性同位素的检测灵敏度极高,因此在石油化工、水利水文、农业畜牧等领域进行放射性示踪,来研究物质的迁移、转化、残留,是最具优势的应用方向。还有工业上不少探伤、监测设备,也是利用放射性同位素的射线作为发射源监控的。另外,利用放射性同位素进行辐照,也广泛使用于食品灭菌消毒、农业育种增产、材料加工、体外照射治疗等。近年来,靶向抗体与放射性核素结合生成的靶向治疗核药物成为新兴的癌症治疗策略,北京大学刘志博团队基于成纤维细胞活化蛋白开发了一系列结合氟18、铋213、铅212等的核药物,展现了显著的肿瘤抑制作用,且毒副作用较低。

当然,直到今天,我们对于原子核内部的运行机制还并未彻底了解清楚,现有的核物理和核化学理论模型还需要完善。宇宙中元素如何演化?原子核有没有极限?周期律是否继续?答案也许就在不远的未来。

(作者系北京大学化学与分子工程学院教授)


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2023年09月22日 10:36
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