平庸最終要付出的代價將更大

〝Whatever the expense of improving education, it is an investment in the future we must make. Excellence costs. But in the long run mediocrity costs much more.〞

〝涉及教育的所有消耗, 它是為我們將來的必需投資,是卓越的代價, 而平庸最終要付出的代價將更大。〞

G.T. 西博格 ~ 鎇元素的發現者

NGE-83 館 藏

鎇(Americium),舊文獻中譯作鋂(音每),  元素符號 Am, 原子序數95, 放射性金屬, 錒系超鈾元素(Trans-uranium element), 最穩定同位素鎇^-243的半衰期為7370年, 鎇^-241的半衰期為432年 (NGE-83的主要成分為這兩個位素),  迄今為止, 它是延陵科學綜合室館藏元素中最重的核素, 由於受放射性物質條例及安全守則的規管, 本室所得樣本重量少於0.001克(圖示標本以放大鏡頭拍攝), 根據物質安全資料(MSDS)所示: 標本中鎇的含量大於98%, 其中大概有1%的鎿(Neptunium, Np, 93號人工元素), 這是技術上無可避免的雜質(如鋯或鉿中總有1%相對元素一樣), 它是鎇元素最純的表現形式。

鎇是銀白色光亮的金屬, (圖示NGE-83存於熔封玻璃管中)在乾燥的空氣中較穩定, 與鑭系在週期表中相應位置的銪(Europium, Eu)相比, 它的穩定性較高, 如儲於密閉的小型容器中, 它的原有光澤可以得以保存。由於所得標本的量如此稀少, 以至無法進行物理及化學實驗。

鎇的基本數據

人工元素(人工放射性元素Artificial radioactive elements)

德國放射化學家哈恩(Otto Hahn, 1879~1968)鑑定鈾裂變產物的化學實驗裝置 (圖片自參閱文獻)

最初以人工核反應合成而被鑑定的放射性元素。自居里夫婦於十九世紀未發現了釷及鈾的天然放射性後, 并發現了鐳(Radium, Ra)和釙(Polonium, Po), 由於人類了解α 、 β粒子及γ射線的本質, 對放射性有了深入的研究, 1934年 F.約里奧-居里(F. Joliot-Curie)夫婦等發現了人工放射性後, 人們利用帶高能量的粒子流轟擊其他元素, 實現了人工嬗變的創舉,  把古代煉金家所謂"點石成金"的夢想變成了現實。

由於元素週期律的應用, 人們很快意識到同期表中第43,  61, 85及鈾元素之後的"空穴"。1937年佩列爾(C.Perrier et al.)等以氘(重氫)核在回旋加速器中轟擊鉬靶, 首次把消失在自然界的元素重現, 并以"人造(Technetos)"一詞將新元素命名為鍀(Technetium, Tc), 其核反應式如下:
                                    ⁹⁸Mo (d, n) ⁹⁹ Tc
自後人類不斷利用相似的方法合成了多種元素及天然元素的人造同位素。

鎇是人工元素

由於鎇最穩定同位素鎇^-243的半衰期(物質的半分量被消耗所需的時間)為祗有7370年, 有理由相信: 這是個在自然歷史上是曇花一現的元素, 它早煙滅在地球上, 和它的命運一樣: 43號元素鍀、61號鉕、85號砹以及鈾之後的所有元素(其實84號釙的實用同位素亦如是)都是通過人工的方法合成, 使它們重現出來。

1937年二次世界大戰爆發, 受日本"偷襲珍珠港事件"的打擊, 美國正式參戰, 為了儘快結束戰事, 她極力發展原子武器, 曼克頓計劃(Manhattan Project)是集合美國國內尖端科研人員在秘密的研究基地中進行各種核反應的研究, 為了獲得核原料的漲縮鈾(²³⁵U)及鈈(Neptunium, Pu), 他們改良原子反應器及實驗材料及方法, 鎇就是列強在干戈相接的背景下重現自然界。

1944年底至1945年期間 G.T.西博格(Glenn Theodore Seaborg, 1912-1999)、詹姆士(James)、摩爾根(Morgan)及吉奧梭(Ghiorso)等在加利大學伯克利分校(Berkeley,  Califormia University)以中子轟擊鈈²³⁹, 首次合成鎇²⁴¹, 其核反應式如下:
                                    ²³⁹Pu ( n,γ) ²⁴⁰ Pu ( n,γ) ²⁴¹ Pu (β衰變)→ ²⁴¹ Am
由於這個元素在週期表中正好和鑭系的銪相對, 銪的詞源來自歐洲(Europe), 他們仿其法將之以美洲(America)命名為鎇, 當時有人提出把中文名稱以"鎂"作譯名為最佳, 這顯然這名稱己有元素使用, 因此辯作"鎇" (音眉)。

[左] 中國原子能科學研究院的重水(氧化氘)反應堆裝置 (圖片自參閱文獻)
[右] 德國的重離子直線加速器, 利用加速器把離子束的能量加強轟擊靶核, 強迫其聚合而形成重核元素, 據悉此裝置曾經合成了第107、108及109號元素 (圖片自參閱文獻)

1945年人類能獲得的鎇²⁴¹僅幾微克(>0.000001克), 現時據悉以千克級生產, 主要用作合成96號人工元素鋦(²⁴²Cm), 鎇²⁴¹半衰期432.6年, 而最長壽者為 鎇²⁴³, 為研究此元素的主要材料。

鎇的同位素 ²⁴¹Am, ²⁴²Am, ²⁴³Am

鎇-241是用強大的中子流以長達數以年計的時間轟擊鈈-241靶後萃取而製得, 混合同位素(Am-241,242,243)可以強烈中子照射鎇-241, 其反應示理如下:  ²⁴¹Am (n,y)→ ²⁴²Am (n,y)→ ²⁴³Am
同位素純的鎇-243可以用下列途徑製取: ²⁴¹Am(n,γ)→ ²⁴²Am→ ²⁴²Pu, 之後 ²⁴²Pu(n,γ)→ ²⁴³Pu→ ²⁴³Am, 最後經化學分離法提純。

鎇的蛻變

前面提及, 鎇樣本中含鎿約1%是無可避免的, 這因為鎇不斷地進行緩慢的蛻變, 當鎇原子核中射出氦元素核後, 便變成了鎿:
                                    ²⁴¹ Am (α衰變)→  ²³⁷ Np  +  ⁴He
故此, 樣本中的鎿的濃度會隨存放時間增加而不斷增強, 而鎿-237的半衰期為2.14 x 10⁶ 年。

應 用

鎇與鈹粉混合為中子源用於非破壞性機械測試, 可用於製造手提γ探傷器的核心原材。此外, 微量的二氧化鎇(AmO₂)可以用於煙霧探測器(1克二氧化鎇大概可製造5000個, 平均鎇含量: 0.26微克/個), 每年用於製造煙霧探測器約耗費數千克鎇。

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鎇的發現者

西博格博士的親筆簽署照片 (延陵自然歷史博物館藏)

西博格 • G • T 博士 (Dr. Glenn Theodore Seaborg, 1912 ~ 1999 ) 美國核化學家, 1912年4月19日出生於密茲根州(Michigan)伊什珀明(Ishpeming),十歲時舉家遷往加州。1929年他考入加州大學洛杉磯分校, 1937年獲加利福尼亞大學伯克利分校化學博士學位。1937至1939年期間為私人實驗室助理, 1939年任伯克利分校化學教員, 1941年為助理教授, 1945年晉升為化學教授。1946年兼任勞倫斯放射實驗室(Lawrence Radiation Laboratory)的核化學研究組的指導。二戰期間被調任芝加哥大學冶金實驗室主管, 1940至1940年期間他和其同事先後在核反應堆發現且分離出原子序數94~102號元素, 其中以鈈元素(Plutonium, Pu, 94)研製的原子彈催化了二次世界大戰的結束。之後他致力研究創新鈾原子反應器及從反應分離出鈈等課題, 使鈈元素以工業級大量生產。根據元素週期律,他逐漸把錒系14個元素合成及把它們確定在週期表上的正確位置。1951年他與麥克米倫(McMillan)因發現並研究超鈾元素而共同獲得諾貝爾化學獎; 1961-1971年任美國原子能委員會主席。1971年重回伯克利分校任教。1974年Albert Ghiorso及其同事於勞倫斯伯克利實驗室以氧-18轟擊鐦-249, 發現106號元素(unnilhexium), 1996年國際化學聯盟(IUPAC)會議中,因為有人建議以西博格的姓氏為元素命名而產生爭議,反對者以不能用在世科學家名稱為元素命名為理據而進行表決,最終以16比4之差用他的名字為該元素命名, 以表彰他的成就。1999年2月25日逝世, 享年86歲。

 以他的名字命名的元素