屡屡乌龙终显真身的第43号元素

作者: 李研

来源: 赛先生

发布日期: 2021-10-23 12:20:05

第43号元素锝(Technetium)是原子序数最小的放射性元素,也是第一个人工合成的元素。它的发现历经多次乌龙事件,最终由意大利物理学家埃米利奥·塞格雷和矿物学家佩列尔在1937年通过回旋加速器实验确认。锝的同位素锝-99m在医学成像中具有重要作用,是目前公认的最优良的放射性显像剂。

放射性元素没有稳定的同位素,它们能够自发地放出粒子或射线,同时释放出能量,直至最终衰变成为稳定的元素。说起放射性元素,大家可能很容易想到制造原子弹的铀,以及居里夫人发现的钋和镭。它们和大多数放射性元素一起位于元素周期表的最下面两行。然而在元素周期表中,我们也能发现一个“落单”的放射性元素,那就是第43号元素锝(Tc)。锝的原子序数不大,上下左右都是稳定元素,但它自己却为什么没有稳定的同位素?

它又是怎样被发现的呢?

43号元素锝(Technetium),原子量为97.9,在元素周期表中属于第5周期第ⅦB族,单质为银白色的金属。它是原子序数最小的放射性元素,也是第一个人工合成的元素。第43号元素锝曾经被科学家执着地寻找了近百年。它多次被“发现”,可后来都被证明是化学史上的乌龙事件。当它终于显露真身的时候,元素化学的历史也翻开了崭新的一页。

43号元素很早就被门捷列夫写进了他的著名预言里。1871年,在《俄罗斯化学会志》上发表的一篇论文中,门捷列夫预言了当时几种未知元素的存在和性质,其中包括类铝、类硼、类硅和类锰。短短十几年后,前三个元素就都被陆续发现了,它们分别是镓(Ga),钪(Sc)和锗(Ge),且性质与门捷列夫的预测基本相符,从而成为了元素周期律的有力证明。然而唯独“类锰”,也就是第43号元素,却始终难觅踪迹。

一直到门捷列夫辞世,也没能等到“类锰”的发现。

这个元素被预期有100左右的原子量,在化学性质上非常类似锰。因为原子序数比较靠前,又有门捷列夫预言的感召,很多化学家曾试图寻找它。有些人宣称发现了这种元素,但后来被证明是子虚乌有,没有被学界认可。例如,1908年,日本化学家小川正孝认为在方钍石(主要成分ThO2)和辉钼矿(主要成分MoS2)中发现了这种新元素。

充满民族自豪感的小川正孝决定将自己新发现的43号元素称为“nipponium”,因为传统上日本人称自己的国家为“Nippon”或是“Nihon”。这一发现虽然当年还被《美国化学会志》报道,但由于人们后来无法重复小川正孝发现43号元素的实验,最终也就没有被认可。

科学史上,当已有的认知不能解释的现象越来越明显的时候,总会有人站出来或者把一切推倒重来,或者提出一个新的规则作为补救。

针对第43号元素长期失踪的问题,1934年德国质谱学家马陶赫根据前人的总结得出一个同位素统计规则:不可能存在质量数相同、原子序数相差一的两种稳定同位素。换句话说,原子序数相邻的元素,如果它们有相同质量的原子核,那其中只有一个是稳定的。按此规律分析,我们很容易发现在43号元素的合理质量区间内,有一系列钼(Mo)和钌(Ru)的稳定同位素。

所以,不是这个43号元素有意藏起来折磨化学家,而是它在元素周期表中的左邻右舍挤占了它的稳定存在。

就在科学界准备放弃寻找第43号元素的时候,事情又开始出现转机。1934年,约里奥·居里夫妇在用α粒子轰击铝箔时,发现若将放射源拿走,铝箔依然保持着放射性,并由此发现了放射性的磷(3015P)。

整个反应可以用核反应方程式表示为:其中α粒子是失去电子后带有两个质子的氦-4,当用其攻击含有13个质子的铝原子核时,就生成了15个质子的磷-30,以及一个中子(10n)。13+2=15,伴随着看似简单的加法,世界上第一个人工合成的放射性同位素诞生了。

时势造英雄。此时,发现43号元素的一位重要人物就要登场了。他就是意大利的物理学家埃米利奥·塞格雷。

1936年,年轻的塞格雷来到美国伯克利国家实验室访问学习,他很快被欧内斯特·劳伦斯发明的回旋加速器所吸引。回旋加速器中的一些部件在经过粒子轰击后,呈现出放射性。这一现象引起了塞格雷的很大兴趣,于是他向劳伦斯表示希望能得到一些回旋加速器的废弃部件。1937年1月6号,已经返回意大利巴勒莫大学的他,收到了来自伯克利的一张圣诞贺卡和一些用作回旋加速器偏向板的钼箔。

这些钼箔在经受氘核(含有一个质子一个中子的氢同位素)轰击后,呈现出放射性。或许塞格雷并没有立刻意识到这是一份十分珍贵的圣诞礼物,钼箔被放置了近一个月,直到1月底,他才开始着手分析。

那些寿命很短的放射性同位素经过一个月的时间应该早已衰变殆尽,但这片钼箔的放射性依旧保持着。塞格雷感觉到这些钼箔的不同寻常,他想到了第43号元素。

但由于本身是物理学家,化学分析并非他的专长,所以他求助于同在巴勒莫大学的矿物学家佩列尔。塞格雷深刻的洞察力与佩列尔精湛的实验技术相结合,最终两人从钼箔上分离出很少量化学特性和铼相似,但同时又具有放射性的未知元素。他们断言,这只可能是第43号元素,来源于氘对钼原子核的轰击。该发现不仅填补了元素周期表长期以来的空缺,而且开启了人类制造未知元素的先河,可谓意义重大。

正如马陶赫规则所预测的,锝(Techneitium)有没有稳定的同位素,其中即便是半衰期(放射性物质减少到初始一半时所消耗的时间)长达420万年的锝-98,相比于地球40多亿年漫长演化史也十分短暂。所以,地球形成之初如果存在锝元素,也早已衰变殆尽,这是人们长期寻找43号元素而不可得的缘故。不过,在1952年,有人在寿命超过十亿年的恒星中发现了锝-98,这让人们认识到恒星是可以不断制造重元素的。

值得一提是,锝目前最重要的用途,并不是来自它较稳定的同位素,而是半衰期只有6个小时的锝-99m(99mTc)。这里的m代表原子核处于激发态,不稳定。含有锝-99m的药物进入体内后,衰变释放出的γ辐射就会被置于患者体外的γ摄影机探测到,从而生成高分辨的医学诊断图像。锝-99m在临床检测中具有许多特殊的优势。比如其衰变过程只产生的γ射线,能量适中而穿透力强。

同时,6小时的半衰期也非常的适宜,可以在方便成像的同时最大程度减少放射性对人体的伤害。因此,锝-99m是目前公认的最优良的放射性显像剂。

让我们再把话题回到锝的发现者塞格雷。在发现43号元素之后,塞格雷于1938年的暑假再次来到美国,他希望借此行研究钼靶上那些半衰期较短的同位素。然而,就在1938年,意大利以墨索里尼为首的法西斯政府通过了反犹太法,禁止犹太人在大学任职。

作为一个犹太人,塞格雷不得不选择留在美国,以躲避迫害和即将爆发的战争。在伯克利辐射实验室,劳伦斯为他提供了一份研究助理的工作,考虑到塞格雷无法回国又急需工作的尴尬处境,他开出的月薪只有116美元(约合当前2165美元)。这对于聘用一位发现过新元素的人来讲,实属廉价用工。低工资并没有影响塞格雷对科研工作的热情。

在二战期间,他和诸多核物理界的精英一起参与了研制原子弹的“曼哈顿计划”,并在研制过程中又发现了几种新的放射性同位素。

直到1947年的夏天,塞格雷才回到了阔别九年的意大利巴勒莫。面对曾经朝思慕想,却早已物是人非的家乡,塞格雷痛心不已。在父亲的墓前,他撒下了少量的锝粉。这些锝粉的放射性微弱,但可以持续百万年之久。相比于地球的演化,这十分短暂;但如果用人的寿命来衡量,却又格外漫长。或许,塞格雷希望将锝微弱但持久的衰变,化作自己绵长悠远的思念,久远地陪伴在父亲的身边。

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