元素制造方法及实验技术大揭秘

这一规律的发现使化学家和物理学家们意识到，他们终于能把一种元素转化为另一种元素了。更神奇的是，他们可以将一种已知元素转化为一种全新的未知元素。这种能力为元素周期表的故事揭开了全新的篇章。

1917年，卢瑟福在实验室中促成并观察到了世界上第一个核反应。他借助设备，用α粒子轰击气体。按照当时的说法，他成功地“分裂了原子”。

但“分裂”一词略带误导性，卢瑟福制造的反应，实际上是在原本的氮-14原子上增加了某些东西。通过将α粒子“砸”进氮-14原子，他把α粒子融合进了原子核，从而增加了它的“核子”（质子和中子）数，制造出了氧-17，还打掉了1个氢核子（质子，以下标记为p），反应过程如下：

¹⁴N+α→¹⁷O+p

在接下来的几年里，卢瑟福研究了更多气体，并制造了更多产物。他的发现无可置疑，但他能做的事情依然有限。他无法给α粒子提供足够的能量，因此无法实现更具野心的实验目标。他的α粒子只是由放射性物质在正常衰变过程中发射出来的。要想做更加“刺激”的事，就需要更多的能量。

裂变和聚变

核反应有两种形式：核裂变和核聚变。

·裂变过程涉及通过去除粒子从而消耗原子核。裂变反应的产物是原子序数低于母原子的新原子。1个较大的原子（如铀）分裂时，会产生2个完全不同的原子。例如，铀-235在中子的轰击下，会产生氪-92和钡-141（以及一些多余的中子）。

·聚变过程则要在原子核中有所添加。聚变反应的产物是具有更高原子序数的原子。

粒子可以被加速到超高的速度，这时若发生碰撞，便会产生惊人的效果

物理学家们开始着手制造粒子加速器。这种机器能为慢吞吞的α粒子加速，使它们有足够的能量轰击原子，对原子造成真正的“核伤害”。这项技术利用强大的磁场来提高粒子速度，再将它们作为集中的高能光束射出。这时，这种光束就可以用来轰击物质了。

第一台产生效力的加速器，是由英国物理学家考克饶夫（J. Cockcroft）和他的爱尔兰同事沃尔顿（E. Walton）制造的，他们的装置在1929年实现了核反应。三年后，即1932年，两人用加速到0.5兆电子伏特的质子（氢离子）轰击锂，并产生了α粒子：

¹H+⁷Li→⁴He+⁴He

这是巨大的进步，但考克饶夫和沃尔顿的加速器是将粒子沿一条直线推进的。这意味着，粒子所能达到的速度受到设备长度的限制，而要制造一台极长的加速器，可行性并不太高。(www.xing528.com)

考克饶夫和他在英国剑桥大学的粒子加速器

同样在1932年，美国物理学家劳伦斯（E. Lawrence）在加州给出了解决方案，开发出了回旋加速器。劳伦斯的设备不是让粒子在通过直管时加速，而是让它们在两个磁化板之间沿着螺旋路径加速。从夹在两个强力磁线圈之间的密封气室中间开始，粒子被同一个磁场反复加速。这比直线加速器更有效地利用了空间和磁场，效果显著得多。劳伦斯和他的研究生利文斯通（S. Livingstone）成功将质子加速到1兆电子伏特，两倍于考克饶夫和沃尔顿用直线加速器所达到的速度。

电子伏特

电子伏特（eV）是1个电子在1伏特的电位差上移动后所获得或失去的能量，大约相当于1.6×10^-19焦耳。

劳伦斯继续进行回旋加速器的改进和实验，1937年，他尝试用氘核轰击钼（42号元素）。氘核由1个质子和1个中子配对组成，也就是半个氦核。这时，意大利犹太裔物理学家塞格雷（E. Segrè）拜访了劳伦斯，观看了回旋加速器的演示。塞格雷向劳伦斯要了一些经过辐照的废金属，并带回了自己位于西西里岛的实验室。不久，劳伦斯又给他送来了另一份样品，这次是偏转器上的钼箔，展现出令人意外的放射性特征。正是从这经过反复轰击的箔片上，塞格雷提取出了锝（Tc），这个名称来源于希腊文“teknetos”，意即“人造的”。

回旋加速器使带电粒子绕着两个强力电磁铁之间的螺旋路径加速

1938年，塞格雷再次访问伯克利，研究锝的迅速衰变的同位素。当时，意大利法西斯独裁者墨索里尼通过法律，禁止犹太人在意大利担任学术职务。塞格雷于是决定留在美国，作为研究助理与劳伦斯一起工作。1940年，塞格雷又发现了一种新元素——砹（At）。这个名称也来自希腊文，意思是“不稳定”。即使是最稳定的砹同位素，其半衰期也只有8.1个小时。

塞格雷继而将注意力转向元素周期表中最后一个未被发现的非超铀元素（即原子序数小于92的元素）——61号元素，但无法将其分离出来。

大型强子对撞机，建于日内瓦附近的法国瑞士边境地下，是劳伦斯回旋加速器的继承者。粒子在环形路径上加速，能够以早期核物理学家无法想象的速度和能量进行碰撞

锝的发现可能要早于劳伦斯发明回旋加速器，而且是在自然界中发现的。1925年，德国化学家诺达克夫妇（Walter & Ida Noddack）和奥托·伯格（Otto Berg）共同发表了一篇论文，宣布发现了新元素，他们以诺达克家族的发源地（今属波兰）将该元素命名为“鎷”。在同一篇文章中，他们还声称发现了铼（Re）。可惜他们无法分离出足够的鎷来支持自己的发现，因此没能得到科学界的承认。

然而，实验化学家柯蒂斯（D. Curtis）在1999年重复了他们的实验，发现所得的锝与原始材料铌铁矿中锝的预期自然比例相吻合。铌铁矿中铀的含量最高可达10%，而每1千克铀含约1毫克锝。这样看来，似乎是诺达克通过实验首次发现了鎷，比塞格雷在废钼箔中发现锝早了12年。

原来不是锝

在门捷列夫预测过的元素中，43号元素锝是最后被发现的一种。门捷列夫所谓的“准锰”在塞格雷确认发现它的时候，至少有一个人已经误以为自己发现过它一次了。第一次是在1908年，日本化学家小川正孝宣布自己发现了这种元素，将其命名为“nipponium”（来自日本国名），结果他的所谓新元素原来是铼。更不幸的是，他也没有得到发现铼的殊荣，铼是在1925年被正式发现的。