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人为改变原子核里的质子数,就可以制造出新物质,现在能做到吗?

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本文基于回答网友类似的问题。我的回答是:当然可以,而且这早就是旧闻了。科学家早就知道了这个道理,而且这样做了将近100年了,才有了现在的118种元素,其中有26种都是通过人工改变原子核的质子数制造出来的。


当然这26种元素本来在自然界就应该存在,否则人工是无法制造出来的。但问题是有些元素在自然界太过稀有,很难获得;还有些元素半衰期太短,比如有些气态元素在自然条件下很难存在1秒钟,只能通过人造获得。

元素周期表是人造元素的设计依据

元素周期表是人类最伟大的科学发现之一,它把一些看起来不相关的元素罗列在一起,逐渐形成一个自然元素的完整体系,促进了现代化学发展,对揭示自然物质的奥秘,从而让人类更深刻地认识自然规律,具有里程碑式的意义。


最早发表元素周期表的是俄国化学家门捷列夫,他于1869年推出了第一代元素周期表,之后,各国化学家不断地推出并完善了各种元素周期表,渐渐,元素周期表成为现代化学不可替代的一种工具。

现在全世界各种元素周期表一共有170多种。在元素周期表里面,元素以原子序数排列,最小的排在1号,一横行为一个周期,一列为一个族;原子半径由左到右逐步减小,从上到下依次增大。

现在元素周期表有七主族、七副族、Ⅷ族、0族。元素按照在周期表中的顺序编号,编号就是原子序数。原子序数与元素的原子结构关系为:质子数=原子序数=核外电子数=核电荷数。


门捷列夫的元素周期表刚形成时,还只有63个元素,他把这些元素根据大小依次排列,成功地预测了当时还没有发现的镓、钪、锗;随着元素周期表的成熟,人们不断发现元素排列的规律,不断发现中间缺少的元素,对于元素的性质也认识越来越深刻。

因此,元素周期表的重大意义之一,就是引导科学家们寻找其中缺失的元素,简单地说,就是原子序数间隔的元素。在自然界找不到的元素,就试着人工制造。这时人们已经知道了元素的性质是由原子中的质子数量决定的,因此只要改变原子的质子数量,就可以得到新的元素。

比如在元素周期表中,已经有了42号元素钼和44号元素钌,人们知道这两种元素的核子中质子数分别为42个和44个,在它们中间必定有一种新元素,如果质子变成43个,就可以得到这种新元素。


但如何让核子中的质子改变数量呢?科学家们前赴后继地摸索了许多年。

一直到1937年,美国加州大学伯克利分校物理学家欧内斯特·劳伦斯利用自己发明的回旋加速器,用1号元素的氘原子核“轰击”41号元素的钼原子核,得到了43号元素。这是人类取得的第一个人造元素,将其命名为“锝”(Tc),而“锝”在希腊文中的原意就是“人工制造的”的意思。

26种人造元素都是通过“做加法”取得

现在,人类发现宇宙中存在的元素一共有118种,其中有92种元素在自然界获得,26种元素通过人工制造获得。人工制造元素的方法无一例外都是采用“做加法”方法取得。


何谓“做加法”?就是采用两个原子序数较小的元素融合成一个较大的元素,这种“做加法”的方法专业术语就是核融合或者说核聚变。人造的第一个元素“锝”,就是用只有1个质子的氘核轰击42个质子的钼核,融合成43个质子的“锝”核,这样“锝”就得到了。

要做这个“加法”是非常不容易的,需要极高的压力和温度,才能够让原子核融合在一起。因此人们虽然在20世纪初就发现了做加法可以取得新元素,但苦于没有方法做到这一点,只能望梅止渴而无法实现。

一直到1931年,劳伦斯发明出了回旋加速器,可以将原子核在这种装置中加速到极高能量,然后让两种原子核相撞,才为人工制造新元素提供了可能。后来,他用自己的加速器制造出了第一个人工元素“锝”,由此他获得了诺贝尔物理学奖。


人们把他发明的这种回旋加速器称为“原子大炮”,意思是可以将原子核像炮弹一样以极高速度轰击另一个原子核,当然这个速度比炮弹快了很多倍。

所有的人造元素都是通过这种“做加法”的方法得到,如:科学家们用原子序数为5的硼轰击原子序数为98的锎,得到原子序数为103的铹;用原子序数为24的铬轰击原子序数为82的铅,得到106号元素钅喜;用原子系数为20的钙,轰击原子序数为98的锎,得到原子序数为118的气奥(Og)。

人类的发现永远在路上,没有止境

迄今为止,人造元素有26个,即:43号锝(T)、61号钷(Pm)、95号镅(Am)、96号锔(Cm)、97号锫(Bk)、98号锎(Cf)、99号锿(Es)、100号镄(Fm)、101号钔(Md)、102号锘(No)、103号铹(Lr)、104号钅卢(Rf)、105号钅杜(Db)、106号钅喜(Sg)、107号钅波(Bh)、108号钅黑(Hs)、109号钅麦(Mt)、110号鐽(Ds)、111号錀(Rg)、112号鎶(Cn)、113号钅尔(Uut/Nh)、114号鈇(Fl)、115号镆(Mc)、116号鉝(Lv)、117号石田(Ts)、118号气奥(Og)。


可能大家很奇怪,里面有些中文字是一个偏旁加上一个字,这是因为这些元素的中文字符电脑还无法打出来,遵循认字认半边的传言,大家姑且这么叫吧。

至此,元素周期表中所有空缺都填补完毕,以后再发现新元素,就是118号以后的元素了。除了43号和61号,后面的人造元素都是放射性元素,在自然界丰度极小,极不稳定或半衰期很短,故自然界很难获得,而且有些即便人造出来,也很难保存。

比如118号元素Og,科学家们在回旋加速器里面试验了无数次,只在2003年和2005年的试验中,分别得到3个原子。只有3个原子啊,极其精密的仪器才能够监测到,这种元素的半衰期只有12毫秒,也就是瞬间消失了。


许多科学家们还在合成更高序号的元素,甚至一些名字都取好了,如119号元素Uue、120号元素Ubn,还有121号等,但要得到这些元素越来越难,迄今还只存在于想象中。元素周期表最终能排到多少序号,颇有争议,只能拭目以待。

总之,随着现代科学的发展,人类对自然规律的认识越来越深刻,对化学元素的认识也将不断突破。科学永远在路上,在不断发现和修正中前行,伴随并促进着人类文明不断进步。你怎么看?欢迎讨论,感谢阅读。

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