【稀有和散存金属】稀有中的稀有——钫 第二篇

一年以后，德国化学家哈恩和匈牙利的海维西发现了一些新鲜的结果，他们研究了一些锕同位素的放射性过程，发现其中一个的 α 衰变产生了类铯元素的同位素，但是在 100 万个原子衰变中只能找到几个 87 号元素的原子。 1938 年科学界的状况也大概如此。这时候玛丽居里的学生玛格丽特 ·佩雷也参与了类铯元素的研究，她也是巴黎镭学院的雇员。玛格丽特决定要重复梅耶、海斯和帕内特的实验。她相信，科学有时候就是从被遗忘的过去中寻找创见，第 87 号元素也是如此。

如同她的前辈一样，佩雷也发现了 α 射线的存在，她的任务就是证明射线的来源不是镤的混合物而是锕的混合物。她开始了艰苦的工作，要从所有的锕混合物和辐射裂变产品中提纯。佩雷得到了最纯净的锕元素样品，并且发现质量为 227 的元素同位素在裂变过程中分了叉，也就是它可以沿着两条路线裂变，释放出 α 射线和 β 射线。不过两条分叉的叉尖并不相等：1000 个锕元素原子核衰变中只有 12 起发生了 α 粒子辐射，在其他情况中都只辐射了 β 粒子（电子 ），然后转变成钍的同位素原子核。那么 α 辐射中发生了什么呢？

佩雷的计算显示，射出一个 α 粒子（氦原子核 ），锕同位素的原子核失去一定的“ 重量 ”，它转变成第 87 号元素同位素也需要同样的“ 重量 ”。因此她部分证明了实验得到了锕衰变后的产品具备了放射性碱性重金属的特性。这种金属就是人们一直在寻找的类铯元素，质量为 223 的同位素，而且在自然界中从来没有被发现过。那年是 1939 年，该发现也是最后一个前铀元素。玛格丽特 ·佩雷给它取名钫，以纪念自己的祖国。

那么为什么人们花了这么长的时间才发现钫呢 ？ 首先因为它是自然界最不稳定的元素（除部分超铀元素）。钫同位素的半衰期最长的也只有22分钟（就是佩雷发现的那个同位素 ）。所以自然界里我们无法发现钫的踪迹也就不足为奇了。更不要说找到可观的矿藏了。不过钫原子确实存在。科学家根据原子核放射性裂变的规律计算，地球上每 5976×1018 吨物质中有 500 克钫。寻找钫可以说像大海捞针，不过科学家还是掌握了钫元素的物理和化学性质。

不过为了获得这些知识，科学家首先必须取得一定数量的钫元素，他们从混合物中提纯一些，然后在最短的时间里进行相应的实验和计算。最开始科学家使用化学方法得到一部分钫，不过过程十分复杂，而且效果也不理想。后来有了物理学家的助力，才有了不小的进展。回旋加速器和粒子加速技术不断进步，人们可以用物理方法获得钫。在莫斯科附近的联合原子研究所，科学家用高能质子在同步回旋加速器内轰击 1克铀原子 15分钟，产生了5×10-13 克的钫。

好像太少了，是吗 ？ 万亿分之一克的黄金大概不值什么钱。但如果换成钫却有很大的科学价值，因为可以让科学家填补很多关于这种金属的知识空缺。当然这种情况很难用实验来确定钫的密度、熔点和沸点，但相关信息可以帮助我们用数学的方法来获取这些特性数据。另一个获取钫的方法是加速硼、碳或者氖的倍增带电离子照射铅、铊和金。

中世纪的炼金术士可能会惊叹，居然有人用粒子射击黄金而只是为了得到一些别的元素。但这个悬念确实让无数科学家重复实验来满足他们对钫的好奇心。

什么是 20 世纪的“炼金术 ”？ 一块金箔，大概几微米厚，放在一个盒子里，被氖的离子流照射，引发原子反应产生钫 -212 同位素。照射半小时后，把金箔从盒子中用机械臂取出。外表看，金箔毫无变化，实际上它已经包含了上万个钫原子。虽然数量也不算多，但你要知道现在科学家很多时候都只能和某种物质的几个原子打交道。比如说第 101 号元素（后来被叫作钔 ）是被美国科学家发现的，而发现时只找到 17 个原子，而且还不是同时找到的，而是很多次实验，每次找到一两个。这么看，几万个原子还真是一笔宝藏啊。

但找到钫还只是真正工作的开始而已：它还需要从金箔中分离出来，去掉裂变碎片，然后才能精心检查。而且这一切都要极快完成，因为经过轰击金箔产生的钫同位素的半衰期只有 19 分钟而已。

金箔在王水中溶解，通过一个特殊的“ 黄金搜集设备 ”把它从溶液中去除。下一步操作就是实验的主要目的：用仪器以示踪原子法测试王水中是否还有黄金原子。另外液体中其他成分也可能会捣乱。实验的每个步骤都会耽误时间。“ 除金 ”试剂反复过滤以清除原子裂变后除钫以外的残余物质。纯化过程结束以后，把一滴溶液转移到特富龙盘的刻痕里，经过强红外线照射，几秒钟以后溶液蒸发，钫原子留在盘子内。为了证明钫的存在，把这个盘子放在一个真空仓里，内设一盏霓虹灯指示钫元素。如果一盏灯亮，钫就是纯的。如果另一盏灯闪亮，就意味着还有别的原子存在。最后也是最难的环节就是针对纯钫的研究。实验者只有几分钟的时间，要赶在钫衰变之前。科学家们戏称这是“ 奔跑中的化学实验 ”。

自从钫被发现以后，人们又做了无数的实验，今天我们已经了解这个元素的基本物理和化学性质。它的密度是 2.5 克 / 立方厘米，沸点是 620 到 630 摄氏度。至于它的熔点，还有争议。科学上很难测量钫的熔点，因为不可能得到足够数量的钫。另一方面放射化学家尝试用极少数量的钫来做实验。但钫的数量越少，其熔点也越低（比如说一粒金，只有一微米的百分之一，熔点降到887 摄氏度，而不是通常的 1063 摄氏度 ）。因此测量数量极少的钫之熔点也不会准确。

这就是科学家只能理论上确定钫的性质，这是通过把它与其他碱性金属做对比以后，建立彼此关系推测得到的，并没有实验数据支持。所以就不如那些可以通过现代实验方法确定的结果准确，因此这些理论上的数据有不少差异。它的熔点从高到低有不同版本：8，9，20，27 度或者 15 到 23 度之间等等。钫是化学性质最活泼的碱性金属。氟，位于门捷列夫元素周期表右上侧，是非金属的典型代表。和它相反，钫是金属中的金属。

钫有什么实际用途呢 ？ 现在谈它的商业应用还为时过早。不过有一些迹象，说明钫在未来能有不少用场。它的辐射可以显示其“ 前身 ”— 锕是否存在于矿藏中。医学方面，钫会在癌细胞组织中堆积，甚至出现在早期癌症中。这使得钫可以帮助医生做癌症早期筛查，这已经在小鼠身上得到证实。钫的用场未来可期，但一切的基础是科学家们不断学习探索。

著：［苏联］S. 维涅茨基

译：  邹悦

审校：吴尔平 范胜男

主编：赵致真