一个世纪前,一位名叫阿尔伯特·爱因斯坦的德国新贵物理学家,以其对光电效应的发现颠覆了科学界,这个发现证明了光既是粒子也是波。爱因斯坦因其贡献而获得1921年诺贝尔物理学奖,随后他对核聚变和核裂变理论的贡献,为核武器的引爆和核能的发明铺平了道路。因而,69年前千亿国际,当科学家们在一次核爆炸的化学碎片中发现了当时科学界未知的化学元素时,他们以这位伟大的科学家的名字命名了该元素,进而将“锿”加入了元素周期表。现在,在爱因斯坦获得诺贝尔奖100年之后,化学家们终于可以仔细研究这种令人难以捉摸的高放射性化学元素的化学性质了。他们对这种元素的发现可以加深科学家们对元素周期表的理解——包括还没有添加进去的元素。锿(Es)是元素周期表的第99位元素。它在1952年被首次发现,当时,一个名为“Ivy Mike”的热核装置在太平洋的伊鲁吉拉伯岛(现在属于马绍尔群岛)引爆。Ivy Mike的爆炸是氢弹的首次试爆。这次爆炸产生的能量是核裂变炸弹爆炸(比如1945年投放在日本的)的四倍多,也是燃烧同等质量的煤所释放的能量的400万倍。
正是在Ivy Mike爆炸后的辐射微尘中的化学碎片里,科学家第一次发现了原子序数为99的物质。科学家在这些化学碎片里只检测到了该元素的200个原子,说明它是有多么稀有。经过9年的艰苦努力,直到1961年,科学家们才在实验室人工合成了第99号元素。这项发现的研究团队起初考虑将该元素命名为“pandamonium”,因为Ivy Mike背后的项目团队是以首字母缩写“PANDA”运作的。但最终,他们决定向阿尔伯特·爱因斯坦致敬。
人们对锿元素所知甚少,可能这并不令人惊讶。一个在热核爆炸中诞生的元素,由于其极强的放射性,人们很难在实验室里进行试验。不仅仅是因为它的热值太高而难以操作——1克锿元素会释放1000瓦热量,它还会放射出有害的伽马射线,因此研究人员在研究该元素时需要始终佩戴防护装备。此外,锿最常见的形式(锿-253,根据其原子核内中子的数目命名)的半衰期只有20天。这意味着,20天后,锿的放射性会衰减一半。几个月后,科学家能够研究的少量该元素就几乎消失了。所以,也难怪科学家们花了近70年的时间才逐步掌握这种元素。但是现在,一支来自劳伦斯·伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校的研究团队成功地获取了足量的锿来进行一些基础研究——他们在实验化学和基础科学领域开辟了新天地。在他们的论文里,研究人员解释了他们如何仅用了200纳克的锿-254(半衰期为275.5天的锿元素罕见形式)来进行他们的实验。一纳克只有一克的十亿分之一,所以这些实验是在极其小的规模下进行的。研究团队首次对锿元素进行化学研究,他们成功地合成了一种含有该元素的化合物,来研究它是如何与化合物中的其他元素相互作用的。这项研究是利用斯坦福同步加速器辐射光源进行的,通过向该化合物轰击高能粒子使其结构得以显现。你可以将这种实验方式看做是类似于物体轮廓形成的方式,只不过是在原子层面上的而已。一个重大的发现是锿原子和其周围原子(如碳、氧和氮)之间的键长。研究人员首次了解到锿原子键的键长,这意味着我们能够预测与锿元素相关的其他化合物的形态——为我们当前的化学知识添加了全新的组合形式。至关重要的是,研究人员还成功地测出了锿元素的价态,即锿原子的电荷。一个原子的电荷控制着它可以结合的其他原子的数量。这个数量在化学领域非常重要,它决定了构成宇宙的基础结构的形态和大小。锿元素刚好位于元素周期表中很模糊的位置,处于化合价之间,因此确定它的化合价有助于我们更好地了解元素周期表的组成。锿元素是目前用这种检测方法测出的原子质量最重的元素。最近发表的这篇论文所揭示的新突破令科学家们感到兴奋。未来化学家所面临的挑战,是尝试合成类似可测量的质量更重的元素,来揭示更多组成我们世界的化学物质。