超铀元素为什么要人工合成

Question

如题所述

Answer 1

在化学元素周期表中，超铀元素是指第92号元素铀之后的人工合成元素。20世纪30年代，费米预测了原子序数大于92的超铀元素的存在。1940年，麦克米伦等人通过中子轰击氧化铀，成功合成了第一个人工超铀元素——镎，标志着合成超铀元素时代的开启。他们也因此获得了1951年的诺贝尔化学奖。尽管镎和钚在自然界中也有存在，但其含量极少，人工合成是获取超铀元素的主要途径，主要通过中子俘获反应和带电粒子反应两种核反应实现。
中子俘获反应利用铀等起始核，通过俘获中子并经历多次贝塔衰变来增加原子序，合成超铀元素。例如，铀可以通过中子俘获和贝塔衰变生成钚，进而生成镅和锔等元素。另一种带电粒子反应，通过高能粒子轰击靶子元素，形成激发态复合核，失去中子后合成更重的元素。例如，使用氮离子轰击锎-294靶，成功制得了第105号元素。
超铀元素的人工合成面临诸多挑战，随着原子序的增加，元素的自发裂变几率增大，半衰期缩短，这对元素的人工合成和鉴定带来极大困难。目前，全球每年可以人工合成数吨钚，而镎、镅、锔的年产量可达数公斤，锎的产量则仅有数克。对于原子序大于100的元素，合成产物极为稀少，实验中往往只能产生几十个甚至几个原子。1955年首次合成钔时，三个小时仅产生了1个钔-256原子。
科学家们利用高精尖的辐射探测技术，通过安装警铃来检测钔原子的生成，其衰变时放射的标识辐射会触发警铃，证明了超铀元素的存在。自1940年以来，科学家们已经通过人工合成方法制得了第93号至109号超铀元素，以及大约160种同位素。美国和前苏联等国家的科学家在超铀元素的人工合成方面做出了显著贡献。
超铀元素对核能的发展至关重要，钚-293是核反应堆和核电站的重要燃料，钚-238用于制造心脏起搏器，锎-252则是一种优秀的中子源。此外，超铀元素的人工合成对于探索元素起源、扩展元素周期表、以及研究物质结构、星体起源和天体演化等方面都具有重要意义。