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伯克利實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)成員，左起：Leticia Arnedo-Sanchez，Katherine Shield，Korey Carter，Jennifer Wacker。圖片來(lái)源：Marilyn Sargent/Berkeley Lab

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來(lái)源 美國(guó)能源部/勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

翻譯 謝一璇

審校 戚譯引

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1952 年，美國(guó)能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（以下簡(jiǎn)稱伯克利實(shí)驗(yàn)室）首次從一顆氫彈的碎片中發(fā)現(xiàn)了第 99 號(hào)元素——锿（Einsteinium）。在那之后，很少有科學(xué)家對(duì)它進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這是因?yàn)轱驮胤浅ｋy獲得，并且有極高的放射性。近日，伯克利實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)化學(xué)家團(tuán)隊(duì)克服了這些阻礙，首次報(bào)告了對(duì)锿元素特征的研究，推開(kāi)了更好地了解其余錒系超鈾元素的大門(mén)。

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這項(xiàng)研究發(fā)表在《自然》（Nature）雜志，題為“锿化合物的結(jié)構(gòu)和光譜特性”（Structural and Spectroscopic Characterization of an Einsteinium Complex）。伯克利實(shí)驗(yàn)室的 Rebecca Abergel 和洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的 Stosh Kozimor 為論文共同主要作者（lead author），參與者包括來(lái)自這兩所實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家，以及來(lái)自加州大學(xué)伯克利分校和喬治敦大學(xué)的研究人員，其中幾位是研究生和博士后。他們使用不到 250 納克的锿元素，首次測(cè)得了锿的化學(xué)鍵鍵距，這是元素與其他原子和分子相互作用的基本屬性。

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“我們對(duì)锿知之甚少，”Abergel 說(shuō)。他領(lǐng)導(dǎo)著伯克利實(shí)驗(yàn)室的重元素化學(xué)研究組，同時(shí)也是加州大學(xué)伯克利分校核工程系的助理教授，“我們能夠用如此少量的材料進(jìn)行無(wú)機(jī)化學(xué)研究，是一個(gè)了不起的成就。這項(xiàng)研究意義重大，因?yàn)槲覀儗?duì)锿元素的化學(xué)行為了解得越多，就越可能將其應(yīng)用到新材料或新技術(shù)的開(kāi)發(fā)中。這不僅限于對(duì)锿元素的研究，對(duì)于其他錒系元素也一樣。我們還可以在元素周期表中建立趨勢(shì)。”

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轉(zhuǎn)瞬即逝且難以獲得

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Abergel 和她的團(tuán)隊(duì)使用伯克利實(shí)驗(yàn)室的分子鑄造（Molecular Foundry）設(shè)備和 SLAC 國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的斯坦福同步輻射光源（SSR），進(jìn)行發(fā)光光譜和 X 射線吸收光譜實(shí)驗(yàn)。這兩種設(shè)備都屬于美國(guó)能源部辦公室科研用途設(shè)備，在幾十年前首次發(fā)現(xiàn)锿元素時(shí)是不存在的。

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在研究的開(kāi)始，獲得可以使用的樣品就幾乎花費(fèi)了一半的努力?！罢撐木褪且贿B串不走運(yùn)事件總和?！盇bergel 吐槽道。

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研究中用到的材料來(lái)自橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的高通量同位素反應(yīng)堆（High Flux Isotope Reactor），這是世界上僅有的能夠制造锿的幾個(gè)反應(yīng)堆之一，制造過(guò)程需要用中子轟擊鋦靶以觸發(fā)長(zhǎng)鏈核反應(yīng)。研究團(tuán)隊(duì)遇到的第一個(gè)問(wèn)題是，提取純凈的锿非常困難，制造出的樣品中混合了大量的锎。

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因此，他們不得不改變使用 X 射線晶體學(xué)的研究思路——這種方法一度被認(rèn)為是獲得高放射性分子結(jié)構(gòu)信息的黃金準(zhǔn)則，但要求使用純金屬樣品。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了另一種制作樣品和利用元素的方法。洛斯阿拉莫斯的研究人員對(duì)此提供了關(guān)鍵性的幫助，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種獨(dú)特的樣品支架，以克服由于锿的固有特性帶來(lái)的挑戰(zhàn)。

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第二個(gè)挑戰(zhàn)是元素的放射性衰變。伯克利實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)使用锿-254 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這是锿元素較穩(wěn)定的同位素之一，有 276 天的半衰期（半數(shù)的實(shí)驗(yàn)材料衰變的時(shí)間）。盡管在新冠大流行之前，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)完成了大部分實(shí)驗(yàn)，但是疫情發(fā)生后，計(jì)劃中的后續(xù)實(shí)驗(yàn)由于封城而不得不中斷。當(dāng)他們?nèi)ツ晗奶炜梢曰氐綄?shí)驗(yàn)室時(shí)，大部分的樣品已經(jīng)衰變了。

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測(cè)量鍵距，探索更多可能

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盡管如此，研究人員還是設(shè)法測(cè)出了锿的鍵距，并發(fā)現(xiàn)了锿的一些特殊物理化學(xué)行為。這些發(fā)現(xiàn)超出了原有的對(duì)錒系元素（元素周期表最下面一行元素）的預(yù)期。

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“確定鍵距聽(tīng)起來(lái)沒(méi)什么新意，但是這是理解金屬元素如何與其他分子結(jié)合的首要參數(shù)。它能幫助我們了解這種元素會(huì)與其他原子和分子發(fā)生怎樣的化學(xué)反應(yīng)?！盇bergel 說(shuō)。

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一旦科學(xué)家知道了包含锿元素的分子中的原子排布方式，他們就可以嘗試尋找有趣的化學(xué)物質(zhì)，并進(jìn)一步加深對(duì)元素周期趨勢(shì)的理解?！巴ㄟ^(guò)獲得這些數(shù)據(jù)，我們對(duì)整個(gè)錒系的行為有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。在錒系中，存在對(duì)核能生產(chǎn)和放射性藥物非常有幫助的元素或同位素。”她說(shuō)。

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值得期待的是，這項(xiàng)研究還帶來(lái)了探索元素周期表邊緣之外的物質(zhì)、發(fā)現(xiàn)新元素的可能?！拔覀兇_實(shí)開(kāi)始對(duì)元素周期表末端有了更多的了解，接下來(lái)，你可以設(shè)想以锿為靶來(lái)發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的元素，”Abergel 說(shuō)，“類似于過(guò)去十年中最新發(fā)現(xiàn)的元素，比如第 117 號(hào)元素 Tennessine（Ts），就是使用锫作為靶發(fā)現(xiàn)的。如果能夠提純足夠量的锿來(lái)制成靶，你就能夠開(kāi)始尋找新的元素，理論上可以進(jìn)一步接近‘穩(wěn)定島’?！睋?jù)核物理學(xué)家的預(yù)測(cè)，“穩(wěn)定島”中的同位素可能有長(zhǎng)達(dá)數(shù)分鐘甚至一天的半衰期，而不是超重元素常見(jiàn)的幾微秒甚至更短的半衰期。

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參考來(lái)源：

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-02/dbnl-dat012821.php?


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