linjunJR ・2021/03/12
氫彈試爆遠圖。圖／Pixabay。
1952 年 11 月 1 日，美軍在太平洋中央的一座小島上，進行第一次大規模氫彈試爆，猛烈的核融合反應留下了許多難得一見的超重元素。加州的柏克萊實驗室就是在這次的爆炸殘骸中發現了第 99 號元素「鑀」（Einsteinium）。70 年後的今天，同樣來自柏克萊的實驗室團隊首次成功量測到鑀元素，發表在 Nature 期刊。
鑀元素位於元素週期表的邊疆，儘管科學家曾確實觀測到它，直至今日人們對鑀的理解仍然只有一絲絲（連屑屑都沒有），這是因為鑀原子超不穩定，沒多久就會衰變成原子序較小的其他元素，於是鑀元素不能像鈾礦那般由自然物質裡萃取，鑀的人工合成製程也十分困難。標準的合成作法是使用大量中子轟炸鋦原子，再雙手合十，耐心等待一連串核融合反應發生。
1960 年代的首次合成嘗試中，只成功產出 10-8 克（10 奈克）的鑀原子。儘管往後產量有緩慢進步，但在這種亂槍打鳥的過程中，許多不同的核反應都會參一腳，所以收集到的原子產物往往參雜許多其他元素，加上鑀易輻射衰變的特性，以至於一直沒有實驗團隊能得到足夠量的鑀元素以進行其化學性質的測量。
寫黑板的愛因斯坦。圖／Pixabay。
鑀元素聽來也許陌生，然而它的英文名字「Einsteinium」可是來自家喻戶曉的愛因斯坦本人（Albert Einstein），字源揭露了鑀的重要地位。鑀元素屬於週期表最後一列的錒系元素，這列沒人會背的元素其實一點兒也不無關緊要，在駕馭了它們的放射性質後，錒系元素有能耐成為左右文明的重大角色。除了最常聽到的鈾之外，釷（Thorium）和鉲（Californium）等元素都有廣泛的工業及醫學應用；鈽（Plutonium）是核武器和核能源的必須要素，因此成為冷戰時期眾人爭奪的資源，也曾在電影「天能」裡面客串出場。
週期表中每一直行（稱為族）及每一橫列（稱為週期）的元素的化學性質都存在特定規律；例如第一行的鹼金屬族，越往下脾氣就越暴躁；第二列越往右原子就越小顆等等。每一個新元素的發現，對鄰近的元素親戚而言，都是再重要不過的資訊。研究鑀元素能使我們理解整排錒系元素的模式規律，對各種放射性元素和同位素的個性特質也能有更完整的圖像。
所以囉，打從元素週期表的概念被建立以來，往週期表的邊疆探索，就是核子物理和化學的重大目標，這目標也不停為科學帶來技術和觀念上的突破。今年 2 月，柏克萊實驗室的 Rebecca Abergel 所帶領的團隊發表了最新的實驗結果，為鑀元素的化學性質探測寫下里程碑。
因為蒐集足量的純鑀金屬太困難了，實驗團隊乾脆丟棄傳統的 X 光晶體學方法，反而選用有機分子夾住鑀元素，再透過吸收光譜等方法探測鑀原子的鍵結長度和其物理化學性質。Rebecca Abergel 表示：「鍵結的長度也許聽起來沒多有趣，但它其實是重要的初步資訊，它能使我們了解這個元素和其他原子連結的型態，並預測它可能和其他原子產生何種反應。」
要完成這項測量並不容易，除了要合成夠多的鑀原子，打造出合適的測量樣本，還得趕在鑀元素衰變前進行所有實驗。儘管團隊選用的鑀-254 有兩百多天的半衰期，先前的研究計畫卻被疫情無情打斷。隔離期間不能進行實驗，製備好的鑀樣本也就慢慢地在實驗室中衰變死掉。當實驗重啟時，絕大部分的樣本都已無法使用。所幸隔離前完成的結果夠完整，團隊才能整理並發表階段性的研究結果。
「鑀」是通往週期表未知區域的重大關鍵。圖／Pixabay。
先前提到可以用中子束轟炸較輕的元素來合成鑀原子；同樣的，若能聚集到足量的純鑀，就能以中子束轟炸純鑀，合成出更重的原子。巨大的鑀原子握有通往週期表未知邊緣的秘密，若能將其完全馴服，就能往週期表的更遠處推進，解開更多超重元素的謎團。現在我們的科學家有了「鑀」，科學於焉展開。
