E i ? ?13.595 n 2

（σ为屏蔽常数）

　　最早是美国物理学家斯莱脱（John Clarke Slater，1900—1976）在 1929 年提出了估算的方法，也是他最先提出了多电子体系的薛丁谔方程。
　　40 年代后，许多理论化学家根据原子光谱数据得到不同原子中电子在各 种轨道上的电离势，从而近似地反映原子各轨道的能级顺序并绘出原子外层 电子轨道的能量与原子序数关系图。
关于基态原子中电子的排布，德国物理学家洪特（Friedrich H·Hund，
1896—）于 1927 年根据原子光谱指出，在能量相等的轨道上，自旋平行的电 子数目较多时，原子的能级较低，所以电子尽可能地分占不同的轨道，且自 旋平行。
综上所述，电子在原子轨道中填充顺序为 1s，2s，2p，3s，3p，4s，3d，

4p，5s，4d，5p，6s，4f，5d，6p，7s，5f，6d??这样一来，周期律的理 论基础到 20 世纪 50 年代可以认为是弄清楚了。
　　原子的新处理方法是成功的，但并不简单。在进一步的发展中，波显得 更为有用，但更缺乏真实性。我们有严密的数学工具描述这些波，但却没有 解释这些结果的模型。事实上，模型看来注定要失败的，因为它很容易使人 误解。
　　
五、化学键的电子理论


　　在每一种原子模型之后，就会有一种相应的化学键理论，在本章所描述 的是化学史上 1903—1927 年间流行的各种化学键的电子理论。而自 1927 年 海特勒—伦敦开创性工作以后的各种化学键理论则在量子化学一章中阐述。
　　1903 年 J·J·汤姆逊（Thomson）提出化学键的电子理论。他认为两原 子之间的吸引是由于其中一个原子将其所带的一个电子给予了另一个原子， 于是给出电子的原子带正电荷，接受电子的原子带负电，带相反电荷的两个 原子由于静电引力而结合，从而形成化学键，这被称为正—负理论。美国的 许多化学家接受了汤姆逊的这一观点，1909—1917 年间，他们发表了许多论 文，对正—负理论作了系统的应用。如氯化钠中的钠原子给氯原子一个电子， 从而使带正电荷的 Na+与带负电荷的 Cl-相互吸引而结合成 NaCl。又因 NaCl 在水溶液中能电离出 Na+和 Cl-的事实，使许多化学家认为汤姆逊的理论对所 有化合物的化学键都适用。但是，当人们试图用正—负理论去解释非极性化 合物（主要是有机物）的时候，却遇到了困难，因为想确定非极性化合物中 也存在带正电荷和带负电荷的离子的任何努力都失败了。这促使包括路易斯 在内的化学家们，必须正视正—负理论不能解释非极性化合物的证据，并认 真分析这两种化合物在物理性质和化学性质上的明显区别，从而去推断极性 化合物和非极性化合物在结构上的不同。也就是说，去推断非极性化合物不 具有与极性化合物相似的化学键。然而，只有路易斯提出的共享电子对理论， 才对这个问题做出了进一步的明确回答。
路易斯的共用电子对理论中的一个重要组成部分，是他的“立方原子”
模型。早在 1902 年，他在哈佛大学给学生解释价键理论时，就把原子想像成 一个同心的系列立方体组成，电子处在立方体的顶点，如图 1-3 所示。
这种立方模型能够解释元素周期表的八元素循环排布，也与化学键是由
于原子之间发生电子转移才使每个原子的价电子数达到 8 电子完全组的想法 一致。但当时的哈佛大学化学系因循守旧，十分保守，致使路易斯的新想法 受到冷落，他不但没发表论文，也没继续深入这方面的研究。直到 1913 年， W·C·布雷（Bray）等人发表的论文才重新激活了他早期的猜想，他同布雷 一起，首先提出了关于化学键的二元论观点。认为有两类化学键，一类是汤 姆逊的极化键，由于电












子的转移而形成；另一类是非极化键，没有发生电子的转移。当时，汤姆逊 的理论非常流行，没有什么人注意路易斯的观点。况且，按照路易斯的观点， 非极化键不产生电子转移，就不存在带相反电荷的两原子之间的静电吸引， 如何形成化学键呢？路易斯当时也无法回答。一年之后，汤姆逊本人也假设 了两电子的非极化键的存在。1915 年路易斯受 A·帕森（Parson）的论文启

发，使他深入研究非极化键的兴趣倍增。他注意到许多化合物包含的价电子 数是偶数，如 NH3 含 8 个价电子；CH4 含 8 个；CO2 含 16 个；SO3 含 24 个；CCl4
含 32 个等等。路易斯根据他的立方原子模型设想，共享两个电子，则可形成 一个化学键，并能满意地描述这些分子的成键情况。现以氯分子的成键情况 为例，详见下图：









　　从 Cl2 的成键描述，可清楚地看出路易斯的立方原子模型与他的共享电 子对之间的联系。后来人们普遍接受了用小点代表原子的外层价电子来描述 分子的电子结构，并称其为路易斯结构式。又如：NH3 的路易斯结构式

极限情况，即不等的共享电子对，以至于电子对完全偏向一个原子而成为极 化键。他从此放弃了原先提出的关于化学键的二元论观点。
虽然路易斯在 1916 年就发表了关于化学键是两个原子共享一对电子的
论文，但这个理论却到了 1919—1923 年间才逐渐被人们接受和熟悉，这还应 当归功于 I·朗缪尔（Langmuir）的宣传。在此期间，朗缪尔关于共价键（这 个术语由朗缪尔提出）理论的一系列极生动的演讲和论文，无疑是对路易斯 的电子对键作了广泛的宣传和进一步阐述。由此，朗缪尔声名大振，尽管他 每次都提到路易斯，但仍有不少人却把共价键理论直称为朗缪尔理论。于是， 在科学贡献的归属问题上，路易斯和朗缪尔发生过争执，产生了一些不愉快， 但后来他们相处得仍然很友好，因为朗缪尔一直承认路易斯在共价键理论上 的原始创见，而路易斯也承认朗缪尔对他的思想的进一步发展。后来，人们 才把这个共价键理论改称作路易斯—朗缪尔理论。
应该指出的是，路易斯在他 1916 年的论文“原子和分子”一文中使用了
互变异构现象（tautomerism）这一术语，但当时他的互变异构现象并不指两 个异构体之间的互变现象，其实际含义是后来 L·鲍林（Pauling）称之为共 振杂化的雏型。由此可见路易斯当时的思想深度。
1923 年，路易斯的《原子、分子的价和结构》（Valence and the structure
of atoms and molecules，1923）一书问世，这是新一代有机化学家的教科 书。这样一来，他的表示法中电子对“∶”键就相当于化学结构式中的短线 “—”，从而说明了过去的结构式中“短线”的本质。
1916 年，德国柏林坦泽 （ Danig ）工业大学教授 W ·柯塞尔
（WaltherKossel，1888—1956）也设计了静态的原子结构模型，提出了类似 的电子层结构方案。柯塞尔提出的电子层模型是环状的，中心思想认为，金 属原子和非金属原子化合时，在结合的瞬间，金属原子的外层电子跑到非金 属原子的外层上，于是它们都成为外层电子数为 8 的离子，而靠静电引力结 合在一起。由于柯塞尔在这方面的描述格外清晰，于是他被公认为离子键的 创始人。

第二章 放射化学和核化学


　　尽管放射化学和核化学密不可分，然而其研究对象大体上还是有所分 工。放射化学主要研究放射性元素和核素的制备、分离、纯化、分析及其应 用。核反应化学则主要是用放射化学和核物理的方法研究核的性质及核反应 的机理。同位素化学研究同一元素由于核内中子数不同引起的电子能级改变 所关联的化学效应，其研究对象主要是稳定同位素。

一、放射化学的开端


　　尽管 1896 年，贝克勒尔（Alexandre Edmond Becquerel，1852—1908） 发现铀盐有放射性，1898 年 G·C·施密特（GerhardCarlSchmidt，1865—1949） 发现钍盐也有放射性。然而对放射化学来说，它的开端应该从 1898 年 7 月
18 日居里夫妇发现放射性元素钋（Polonium）算起。对物理学和化学来说， 真正有革命意义的发现是居里夫妇于 1898 年 12 月 26 日在巴黎发现了镭。这 是他们在资金不足、设备简陋的困难条件下，加工许多吨沥青铀矿才从中提 炼得来的。
镭的发现极具革命意义，1903 年鲁迅在《说鈤》一文中说此事。鈤就是
镭。他说：“自 X 射线之研究，而得鈤线；由鈤线之研究，而生电子说。由 是而关于物质之观念倏一震动，生大变象。最大涅伏，吐故纳新。败果既落， 新葩欲吐，虽曰古篱夫人之伟功，而终当脱冠以谢 19 世纪末 X 射线发现者林 达根氏。”古篱夫人即居里夫人，“林达根”今译为伦琴。对于居里夫人的 贡献还应再加上一条，即她发现了原子能，因为镭元素自发地不停地放出热 量，尽管说不出其原因。
接着各放射性元素相继被人们发现。1899 年德比尔纳（AndréDebierne，
1874—1949）发现了锕，1901 年 A·W·霍夫曼和施特劳斯发现了放射性铅，
1902 年吉塞尔（Friedrich Oskar Giesel，1852—1927）发现了镭射气（Rn），
1903 年马尔克沃德（K. Marckwald）发现了放射性碲，1906 年博尔特伍德
（Bertram Borden Boltwood，1870—1927）发现了放射性钍（锕），而在
1906—1907 年哈恩（Otto Hahn，1879—1968）发现了放射性锕和新钍。这 些发现使一门新的科学——放射性学得以建立起来。参加继续发展这门科学 的，除了上面提到的人以外，在巴黎还有居里夫人（这时她的丈夫已不幸逝 世）、德比尔纳和他的学生，在英国有克鲁克斯、拉姆赛、E·卢瑟福、索迪， 在奥地利有法扬斯（Kasimir Fajans，1887—1975），在德国有多恩（Friedrich Ernst Dorn，1848—？）、亨里希（Henrich）等。中国的放射化学也是从法 国居里实验室——放射化学策源地传来的。1929 年秋，居里夫人接受我国清 华大学物理系第一届毕业生施士元到居里实验室研究钋的放射化学性质。
1932 年 12 月，她主持了施士元的论文答辩。我国受到居里夫人指导的还有 郑大章，郑于 1934 年回国后主持国立北平研究院镭学研究所，为中国带回了 放射化学。
　　P·居里（Pierre Curie，1859—1906），法国物理学家，以对压电现象 和许多重要研究而著称。在化学史上，他的名字与钋和镭的发现联系在一起。 这两种元素是他和他的妻子 M·S·居里（Marie Sklodowska Curie，1867—
1934）共同合作发现的。他是一位谦虚而具有坚强性格和自由观点的人。由

于经济条件差，他在发现镭的过程中不得不克服许多困难（他们的实验室就 设在一间小棚里）。在索邦附近他不幸被马车撞倒身亡。
　　M·S·居里出生于波兰，在巴黎求学，认识了 P·居里，后来结为夫妇。 她同丈夫一起发现了钋和镭，大大推动了放射性的研究。在巴黎成立了镭学 研究所，这是对两位科学家不朽的纪念。居里夫人对放射性的研究工作是很 多的。著有《放射性教程》（2 卷，1910 年）、《同位现象和同位元素》（1924 年）以及其它关于放射性的著作。1903 年，居里夫妇同贝克勒尔获诺贝尔物 理学奖，而 1911 年居里夫人单独获得了诺贝尔化学奖。
　　如今居里夫人已成为有史以来 20 位科学伟人之一，但很遗憾在她生前未 能成为法兰西科学院院士，在她逝世之后 60 年被获入先贤祠。1995 年初， 居里夫人的灵柩迁葬法国国家公墓，成为获此殊荣的第一位女性。同时也是 对她的遗体的辐射量进行分析的机会。所以掘移其灵柩的工作是在法国防致 电离辐射局（ORPI）指挥下进行的。居里夫人的遗体被置于一口木棺中，木 棺外由一套铝棺包裹，而外面又套在一木棺中。防致电离辐射局发现，在内 棺中的镭所产生的辐射水平，为每立方米 360 个贝克勒尔，比在墓穴入口处 所发现的每立方米 13 贝克勒尔明显要高。但是这一水平还是远远低于暴露于 每立方米 7000 个贝克勒尔镭条件下的承受极限。镭的半衰期是 1620 年，尽 管居里夫人的实验室被镭严重污染，但是 ORPI 断言，居里夫人在世的时候， 不可能一直处于暴露在镭的致命辐射量之下，镭只有通过嘴或皮肤被人吸收 下，才可能有此危险。因此，ORPI 推测，居里夫人的死因很可能与第一次世 界大战期间使用 X 光照相有关，而当时对 X 射线尚无预防措施。
放射性物质放射出的三种射线，即α、β、γ射线，是经过了十几年的
时间由各国科学家才弄清楚的。其中，α、β射线具有明显的粒子性质，而 γ射线则具有波的性质。α射线由氦原子构成，带有两个正电荷，它们能使 磷光物质放光。β射线是带负电的粒子，是具有很大速度的电子，与阴极射 线相似。γ射线是高频率的电磁波，与 X 射线相似。
到了 1912 年，已经发现的放射性元素接近 30 种。详细序列混乱不清，
不能在此详述。值得一提的是，如 E·卢瑟福和索迪在 1902 年指出的，放射 性元素是由不稳定的原子构成，它自发地蜕变成新元素同时放出α、β或γ 射线，从而使问题清楚了。镭是镭蜕变系列中的一部分，直接前身是 Th（钍
—232），后身是氡，在达到稳定状态以前，氡进而蜕变成几种连续的元素，
从镭 A 一直到镭 G。锕盐和钍盐的衰变情况相似。原子可分的概念同原子是 不可分的终极粒子的旧观念在每个细节上都进行着斗争，但不可能有其它解 释。放射现象证明了在放射物质中产生了物质的转变，E·卢瑟福和索迪提出 用原子蜕变的理论来解释。这是一种创新的革命思想。

二、同位素问题


　　随着放射性同位素的增多，引起了元素在周期表中的位置问题。1914 年 索迪把具有不同重量但在周期表中占有同一位置的原子叫同位素。一种元素 的各同位素形成同位素组，它们具有相同的最重要的光谱学性质和物理性 质，只是原子量各不相同。这一革新思想是对道尔顿原子论把原子量作为识 别元素特征的挑战。
　　索迪工作的革命性在于，他成功地推翻了传统化学中两个根深蒂固的假 设。第一次是在 1901—1903 年他与卢瑟福合作时期。他们共同确认，放射性 元素可以经过一系列步骤转变为其它元素。
　　索迪的另一项成就是理解了使人眼花缭乱的新元素变种，发现它们是 镭、钍和铀蜕变产物。当时的书把这些陌生的变体叫新钍（mesothorium）、 锾（ionium）、镭 A、B、C、D、E、F 和铀 X。这些实体明显地相互区别，因 为它们有显然不同的半衰期。但它们究竟是什么（特别是它们在周期表中应 摆在什么位置）成了困难问题。虽然在周期表中还有一些空位，但安置这么 多新元素空位显然是远远不够的。还有一个问题更加使化学家着难。1905 年 奥托·哈恩（Otto Hahn）试图从放射性钍分离钍失败了，几年后乔治·冯·海 韦希（Georg VonHevesy）试图从铅中分离镭也失败了，试图用化学方法分离 各种放射性元素的很多其他尝试均遭同样的失败。
最后，索迪提出了一个大胆的假设：这些物质不能被分离的原因是因为
事实上它们是同一种元素。这样以来就要求对元素定义作某些修正。按索迪 的观点（1913 年）：“如果说元素??是几种原子量相近但不完全相等的同 类元素的混合物，那是不奇怪的。”他将这些在化学性质上一样而原子量稍 有不同的元素称为同位素（isotopes 来自希腊文，意即在同一位置）。这样， 他能断言镭 D 和钍 C 事实上都是铅的同位素。镭 D 具有半衰期 24 年，原子量
210；而钍 C 具有半衰期 87 分，原子量 212。虽然它们有稍微不同的原子量
和不同的半衰期，但它们在化学性质上和铅是不能区别的。 在詹姆斯·查德维克（James Chadwick）发现中子之前，索迪不可能完
全理解这个富有巨大成效的思想。他能提出的有点含糊不清的解释就是核中
含有不同数量的正电荷和负电荷。到那时为止，似乎没有人猜到不带电荷的 中性粒子的存在。
然而，他继续用他的位移定律来解释原子的嬗变。按此定律，每放出一
个α粒子即含有两个质子和两中子的氦核就降低两个原子序，而每放出一个 β粒子即电子，就升高一个原子序。例如索迪用这一原则说明了铀和钍是怎 样以不同的路线蜕变成铅的不同的同位素的。卡西米尔·法杨斯（Gasimir Fajans）也独立地提出了同一定律。
　　索迪（Soddy，Frederick，1877—1966）是英国化学家，早期在蒙特利 尔任 E·卢瑟福助手，后来在格拉斯哥和牛津任教授。他在科学上的贡献是 提出了同位素概念和放射性元素的位移规则。1921 年获诺贝尔化学奖。著有
《放射性元素化学》（1914 年）和《原子能史》（1914 年）等书。值得注意 的是，索迪的贡献集中在 40 岁以前，早期才华横溢而中年以后则才力衰竭， 在科学上没什么贡献，按我们的说法是“江郎才尽”。

三、核蜕变


　　E·卢瑟福等人认识到原子可自发地蜕变成不同元素的原子，彻底动摇了 自拉瓦锡以来化学发展的基础——元素是不变的物质的概念。把一种元素转 变成另一种元素是炼金术士盲目地“炼”了 1500 多年的最终目标。此时人们 自然提出了问题——人工能导致这种蜕变吗？
　　1905 年，W·H·布拉格和克利曼（R.Kleeman）观察到在空气中由特定 物质辐射出的α粒子具有一个特征的射程，当粒子行进了一段距离突然停止 时便产生了电离作用。欧战期间，除 E·卢瑟福外，继续留在曼彻斯特实验 室的科学家已经很少。忠心耿耿的马斯顿，在作为一名教授回到新西兰之前， 曾于 1915 年观察到一种奇特现象，当他用α粒子轰击空气的时候，出现一些 粒子具有不寻常的射程。一个可能的解释是，这些粒子是氢核，因为如此距 离的反冲，在利用α粒子去轰击氢时是经常出现的。但 E·卢瑟福却怀疑它 是某种别的重要的东西。1915—1917 年，E·卢瑟福正忙于研究水下探测技 术，他主要利用履行公职的多余时间，做了长期而耐心的研究。他决心要搞 清楚这种长射程粒子的性质。在 1917 年 11 月的一篇论文中，E·卢瑟福自问 道，那些粒子到底是氮原子、氦原子、氢原子呢？还是锂原子呢？战争一结 束，他马上又回到放射性研究上来，他观察了α粒子在不同气体中的作用， 并于 1919 年报告了实验结果。他所用的α粒子源放在一个圆筒里，筒的一端 带有能挡住α粒子的薄金属箔，恰好在金属箔后边的硫化锌荧光屏上的闪烁 现象说明粒子正穿透金属箔。当筒内存在氢气时，能观察到很多闪烁现象。 这说明由于α粒子与氢气碰撞产生高速氢核。若筒内是氧气或二氧化碳，则
荧光屏几乎显示不出粒子来。
　　当用空气时，闪烁数量增多，这说明产生这种效应的不可能是氧、二氧 化碳，也不是水蒸气，而是与氮有关系。
到 1919 年 6 月，E·卢瑟福准备好发表一篇题为《α粒子与氢原子的碰
撞》的论文，论文共分四个部分。前三部分内容是精彩的，但没有什么独创 性的见解；小标题为“氮的反常效应”的第四部分中写道：
“难以回避的结论是，α粒子与氮气碰撞后产生的这些长射程的原子不
是氮原子而可能是氢原子??若果真如此，结论必定是，氮原子在与高速α 粒子的紧密碰撞中所产生的强力下蜕变了。释放的氢原子是构成氮核的一个 组成部分。??总的说来，这些结果意味着假使用于实验的α粒子或其它相 类似的粒子能量再大些的话，我们就可望轰碎许多较轻的原子核。”
这就是蜕变，这就是炼金术之梦的一种现代的形式：
14 N +4 He→17 O +1 Ho
7 2 8 1
这也是有史以来重大的发现之一。这种现象叫作原子核的“人工蜕变”。
　　1920 年，E·卢瑟福把氢核作为基本粒子，并命名为质子。任何化学元 素的原子序数就是其原子核中的质子数。使氢电离而得到质子，质子在核子 加速器中获得很高的速度，通常用它作为射弹进行核反应和进行研究。
　　1932 年，在剑桥大学 E·卢瑟福实验室工作的科克罗夫特（J. D. Cockroft，1897—1967）和沃尔顿（E. T. S. Walton）第一次实现了利用质 子使原子发生蜕变。他们用质子轰击了氧化锂，质子是用放电管中的氢气制 备的，并通过倍压器加速。根据云室照片分析表明，α粒子的产生出现
在锂靶的相反方向。进一步研究证明，这是锂同位素3 Li 正被转变成氦。

1 H +7 Li→4 He +4 He
1 3 2 2
　　高能质子加速器的发展开创了用高能粒子轰击所有元素以实现元素蜕变 的研究。自从尤里（Harold Clayton Urey，1893—1981）在 1932 年发现氘 以后，重氢核即氘核很快被用作轰击粒子。随着中子的发现又有了更适用更 有效的轰击粒子。
　　中子具有和质子同样的质量，但不带电，它的发现历史是极不寻常的。 早在 1920 年，E·卢瑟福就认为存在有一种中性粒子。他想这种粒子大概是 由当时已知的带正电的质子和带负电的电子相互亲合而形成的。他还指出， 用光谱学的方法不容易证实这种粒子的存在，而且这种粒子也不能被束缚在 容器之中。E·卢瑟福和几乎所有的其他大实验室都做了不少的努力，力求能 证明这种粒子的存在，但结果都没能成功。
　　E·卢瑟福的学生和合作者查德维克在剑桥大学的卡文迪许实验室做了大 量的实验研究，查德维克最终发现了中子。中子发现颇为曲折，大致可以分 成下面三个阶段。第一步是德国物理学家博特（Walther Bothe，1891—1957） 和德国物理学家贝克尔（H.Becker）所做出的引人注意的观察工作，1930 年 观察到用α粒子轰击铍时会产生一种穿透力很强的射线。为了更好地了解这 种“铍射线”，I·约里奥—居里（Iréne Joliot-Curie，1897—1956）和她 的丈夫 F·约里奥—居里（Frederic Joliot-Curie，1900—1958）做了不少 实验，这构成了第二步的进展。他们在铍板和测量仪器之间放置一块石蜡或 其它含氢丰富的物质。结果发现当有石蜡插在中间时仪器记录到的效应比中 间没有石蜡时要大得多，他们证明这是由于石蜡在铍射线照射下发射出大量 质子的结果。但是他把“铍射线”解释为强γ射线，因康普顿效应而轰击出 质子来。看来这种解释不能令人满意，正如子弹可以把小球打出来，但不能 推动一辆汽车，因为质子的质量对于光子来说毕竟是太大了。这样发现中子 的机会便轻易从约里奥—居里夫妇手下溜走了。与其说是疏忽，莫如说他们 根本没有中性粒子这样概念。
然而，查德维克想到，他长期以来一直寻找的那种粒子也许就在这个过
程里起作用。查德维克对此进行了详细的研究，使用了各种记录快速粒子的 方法，得到了令人信服的证据，指出这种中性粒子确实是存在的，它的质量 与质子相当。查德维克的解释与这种粒子的巨大穿透力相一致。因为它不带 电，在路途中也不电离，因此在云室中也不留下踪迹。但是，观察到的这种 中性粒子与 E·卢瑟福所假设的那种用质子和电子复合而成的中性粒子不相 同。从量子力学和其它一些理论的角度来看，E·卢瑟福的观点是不足取的。 因而必须认为已经发现了一种全新的粒子，其基本性质与 E·卢瑟福提出的 质子完全一样。
　　按查德维克的看法，应当把这种现象解释为当铍受到α粒子的轰击时， 铍原子由于某种核过程而发射出中子，这些中子把富含氢的石蜡中的质子打 了出来，正是这些从石蜡发出去的质子被仪器记录下来。这样，在α粒子撞 击铍板和石蜡发出的质子之间，中子充当了不能直接观察到的中间产物。现 在我们知道，在α粒子打进铍原子核的过程中发生了所谓核反应。由于产生 的复合核是不稳定的，所以它将蜕变成一个碳原子和一个中子，中子在蜕变 过程中获得了很大的速度。
9 Be +4 He→12 C +1 n
4 2 6 0
中子的发现（1932 年）是科学史上的重要事件。发现中子的最大成果是

使人们对原子核的结构有了新的认识。以前认为核是由当时已知的两种基本 粒子——带正电的质子和带负电的电子所组成的。有一种现象似乎能很好地 证明关于核结构的这种概念是对的，那就是放射性元素蜕变时会发射出电子
（β粒子）。这种电子不可能是从原子中的电子壳层发射出来的，而必定要 假定它是从原子核中跑出来的。由于 E·卢瑟福的工作，已能可靠地估计出

原子核的大小，仅为原子的

1
1012

；但是在如此小的空间里要容纳质子而且

还要容纳很多电子——最重的原子中的电子总数在 100 以上，看来这个困难 问题不好解决。
　　现在可以提出另外的看法，认为核是由中子和质子组成的，质子的数目 即为原子核所带的正电荷数，或等于核外电子数，核外电子数和原子核的正 电荷数是相等的；核中包含的中子数加质子数目给出了元素的原子量。这样 便产生一问题：原子核蜕变时所发出的β射线中的电子到底是从哪里来的 呢？既然质子和中子被看成是原子核中同等地位的基本粒子，因而对这种疑 问便提出一种新的解释：可以设想一个中子通过发出 1 个电子而转变成质 子；或者，一个质子也可以通过发出 1 个正电子而转变成 1 个中子。在前一 情况下，由于在核子之间转化中有电子产生，所以不必再假定核中存在有电 子便可解释放射线中熟知的β辐射。人工放射性元素所显示的电子辐射情况 亦是如此，此时一个质子转变成中子同时辐射出一个正电子。
查德维克由于发现中子而获得了 1935 年诺贝尔奖。据传 E·卢瑟福坚持
要把发现中子的诺贝尔奖发给查德维克，说他完全应得到它。有人对 E·卢 瑟福提出：约里奥—居里夫妇对此也做出了必不可少的贡献！据说，E·卢瑟 福回答道：“发现中子的诺贝尔奖单独给查德维克，至于约里奥—居里夫妇 嘛，他们是那样的聪明，不久会因别的项目而得奖的。”
由于中子不带电，不受核排斥，便很快用做原子蜕变的轰击粒子。中子
可由与一种轻元素的（α，n）反应产生，一经生成就不能加速。然而，它们 是很有用的轰击原子核的炮弹，获得中子的常用方法是用铍与像镭、钋或氡
（后来用钚）这样的α源混合。在回旋加速器中让氘核轰击铍或锂（α，n）
也可以产生中子。不幸的是，这些常用的获得中子方法被用为原子弹点火的 中子源。

四、人工放射性


　　第一次世界大战结束后，卢瑟福很快就提出这样的看法：原子核是带正 电的，因此两个原子核间有静排斥力，很不容易碰撞；但α射线是速度很快 的粒子，若是利用它去与其他原子碰撞或者可以超过静电排斥力，有碰上的 可能。越轻的原子核静电排斥力越小，碰上的可能性就大一些。若是碰上了 会不会使原子核发生变化呢？在这样的思想指导下，他和他的同事们用镭和 它的子体放出的最快的α粒子去打击较轻的元素氮，结果发现有比氮更轻的 原子核——氢的原子核放出来。经过这一碰撞后氮核变成了氧核，发生了“人 工蜕变”。自此以后，用α射线冲击轻元素的科学实验成为热门。
　　1930 年，德国物理学家博特等用α射线打击铍原子核时，意外地产生一 种穿透力极大的射线，后来查德发现它是中子（1932 年）。
　　紧接着 1934 年，约里奥夫妇用α射线打击镁、硼、铝，发现在停止打击 后，这些元素还不断地放出β+射线或“正电子”（正电子与电子重量和带电 量一样，电荷相反，有时也称它为β+）。这些射线的强度逐渐减小，遵守天 然放射元素的衰变规律。进一步用化学方法研究，证明铝受α射线打击后放 出中子，自己变成磷，磷又不稳定，逐渐地蜕变为稳定的硅核。这种磷是人 造出来的放射性元素，它的半衰期是 2.5 分钟。
他们假定轰击铝形成质量数为 30 的磷：
4 He +27 Al→30 P +1 n

2 13

15 0

接着磷的同位素失掉 1 个正电子蜕变成硅：
30 P→30Si + e+
15 14
铝箔被α粒子轰击后溶于盐酸，放出的氢气具有放射性，大概是
由于磷化氢15 PH 3 存在，这就证实了上述假设。进一步的实验确定了铝蜕
变成磷的放射性同位素。同样，α粒子能将硼转变为放射性氮（7 N），
将镁转变成放射性硅（14 Si）。每种这样的元素都按其特有的半衰期进行
蜕变，这些都是相当清楚的人工放射性的例子。 约里奥夫妇确定上述蜕变是（α，n）型的。博特提出用上角标标明蜕变
的类型。因此，27Al（α，n）30P 表示的就是导致发现人工放射性的上述反
应。
　　这是第一次发现用人工方法可以造出放射性元素，人们叫它作“人工放 射现象”。人工放射现象的发现为放射性同位素的应用——示踪原子开辟了 广阔的前景。
　　人工放射性发现的意义是巨大的。当时病重、非常衰老的居里夫人动笔 给她女儿写信，信中写道：“我们已经回到了老实验室的光辉时代。”她勉 强来得及在她的关于放射性的论文的新版里插进一小段关于人工放射性的内 容。这个新版本在她逝世后才出版。
　　到了 1930 年，已发现了约 200 种稳定的同位素和 40 余种放射性同位素。 至今已知道了 2000 多种放射性同位素，其中包括周期表中每种元素的代表。 鉴别蜕变实验中产生的同位素是不容易的，因为生成的同位素的量太 少，一般化学分析方法无能为力，连质谱仪也一筹莫展。鉴别未知同位素通 常用适当的载体，即含有该同位素或与之关系密切的元素的稳定化合物。如 果放射性同位素是与载体所含的元素相同或关系密切，则会与载体共沉下
　　
来。如果载体所含的元素与放射性同位素有明显不同，则在沉淀中不存在放 射性，这就要另换一种载体来试验。一旦用特殊的元素鉴别出放射性同位素 后，还要测定其质量数。常常使用的方法是交叉轰击法，据此可从多种元素 产生出该同位素。这样就可除掉各种不同同位素的质量数而得到正确的质量 数的值。
　　I·约里奥—居里，居里夫妇的女儿，1926 年与 F·约里奥结婚，后改姓 约里奥—居里。她在辐射方面的研究工作是核物理学的基础。她与丈夫一起 发现了人工放射性，这就为原子能的和平利用开辟了道路。他们在 1935 年获 得了诺贝尔化学奖。
　　约里奥—居里夫人为我国培养了核物理学家钱三强和放射化学家杨承 宗。他们二人先后回国为我国的原子能事业起到了开创者的作用。在当时美 国封锁、前苏联保密的情况下，如果没有从法国老居里实验室传来的核物理 和核化学与放射化学知识，中国的原子能事业的建立很可能会推迟。
　　伊伦·居里是在老居里夫人的实验室中长大的，自幼受到科学的薰陶， 有非常高超的实验技术和科学观察能力。她发现人工放射性就是一个典范。 约里奥—居里夫妇曾用下面简单而明确的实验，证明了铝被α射线打击
以后变成了放射性的磷（Al27 + He4 →P 30 +0 n），被α射线照射后薄铝片
溶解在盐酸里，放出氢气。让这氢气充在薄壁试管里。结果证明氢气中带走 了新生的放射性元素，它放出的正电β+能穿透薄玻璃使游离室记录电流，它 的半衰期是 2.5 分钟。这个实验提供了肯定的结论：铝被α射线打击后，形 成了与铝不同的放射性元素，它与氢一起（可能是 PH3 气体）和铝分离了。 以后，再将被照射过的铝片溶解在王水里，在这溶液里放进很少量的磷 酸钠和一点锆盐。磷锆沉淀时放射元素拖带下来了，证明放射性元素是磷。 这个实验很简单，但做起来要很敏捷，因为放射磷的半衰期只有 2.5 分钟。 因此，实验时间只能 6 分钟左右。可是在这 6 分钟内却发现放射出的粒子包 括中子和正电子。正电子即带正电的电子，由加利福尼亚理工学院的安德森
（Carl Anderson，1905—）于 1933 年研究宇宙线时发现的。起初中子和正 电子的出现没有引起人们的特别注意，因为这两个粒子合在一起可被认为是 和质子等同的。这就增加了观察的困难。他们就是在这样的条件下，迅速而 准确地完成了人工放射性的发现。由此，我们不能不由衷地佩服约里奥—居 里夫妇的卓越的实验技巧和敏锐的观察能力，能将各种现象及时综合起来作 出准确的判断，发现了新的放射性元素——人工放射元素。足以见出老居里 实验室培养的人才的功底。
　　F·约里奥—居里，他的名字与发现人工放射性和进行证实中子与正电子 存在的研究联系在一起。他在 1946 年任法国原子能委员会主席。但是由于他 的政治观点（他是一位共产党员）后来被迫辞职。
　　约里奥—居里夫人沉默寡言，不擅交际，与此相反，约里奥—居里待人 热情，喜欢交往，是实验室中的活跃分子，他不仅是一位卓越的科学家，还 是一位优秀的组织者，对推动社会进步和国际合作起了积极作用。
　　中子提供了改变原子核的新的有力武器，人工放射性提供了觉察原子核 改变的灵敏手段，这对于寻找释放原子能的过程起了决定作用。
　　
五、中子引起人工放射


　　中子的发现，引起意大利的理论物理学家和几个从事实验物理的同事一 起于 1934 年进行了系统地用中子轰击原子核的科学实验，从而引发了一系列 的人工放射性。
　　费米（Enrico Fermi，1901—1954），意大利原子物理学家，生于罗马。 他的名字将永远留在科学技术史中。他除了在相对论学说史中有重要地位 外，还首先预见到可能产生出比铀重的元素——超铀元素，并且参加建立世 界上第一座原子反应堆（反应堆建立于 1942 年，以他的名字命名）的工作。 反应堆给人类社会提供巨大的能源——原子能，开辟了人类历史的新纪元。
　　1934 年 1 月，F·约里奥—居里和 I·约里奥—居里用钋发射出的α粒子 轰击铝、硼和镁，结果得到了 3 种人工放射性元素。费米在罗马也做了类似 的研究。为了彻底弄清楚人工放射性这项重大发现，有必要对实验作些改进， 即改用中子作为入射粒子。在约里奥—居里夫妇的最初实验中，他们每使用 百万个α粒子轰击铝靶才得到一次蜕变。产率如此低的原因是：由于静电力 的作用，铝原子核排斥着射来的α粒子，从而阻碍了这些粒子接近靶核。费 米考虑到：要是使用中子作为轰击粒子就不会存在这些电性斥力，而使产率 近于 1。这些极为简单的想法使费米想到用中子作为轰击粒子，这就开创了
一条完全未能预料到的发展道路。
　　首先，费米用中子按照原子序数增加的次序辐射所有当时能得到的各种 元素。他试了氢、锂、铍、硼、磷及氧都没有见效。但他坚持不懈，继续下 去，最终在氟上显示出了放射性。
同年秋天，费米和他的同事们遇到一件极为意外的事。经过细致观察，
从一个偶然的机会他们发现：通过石蜡过滤后的中子产生核反应比直接从（镭
+铍）源所产生的核反应要有效得多。一经确证了这一事实之后，费米提出了 惊人的解释：中子通过石蜡，由于弹性碰撞的缘故使之放慢了速度，在产生 某种核反应上，慢中子比快中子要大得多。这就表示慢中子在靶核附近保持 足够长久，增加了中子的吸收机会。而慢中子的发现是日后核能利用的关键。 费米和他的同事们用慢中子从各种轻的和重的元素中获得了约 60 种新 的放射性元素，并且找到了一个规律，即：每种元素若只有一种同位素，则 只找到一种有放射性的核；若是有两种同位素的，就找到两种放射性的核。 放射性核的品种是由同位素的数目决定的。他的解释是：中子碰到原子核后， 就被原子核捕获变成了一个新的原子核。这个新的原子核不稳定，核中的一 个中子放出一个电子蜕变为高一个原子序数的原子核。对于铀来说，进行一 次β衰变增加了一个原子序数就会获得超铀元素。费米在他的 1938 年诺贝尔 奖讲演中宣称他正在产生超铀元素，第 93 号元素称之为 ausonium，第 94 号 元素 hesperium。其他一些科学家如哈恩和梅特娜又增加了超铀元素的数 目，直到原子序数为 96 的元素。但是他们高兴得太早了。重元素钍只有一种 同位素（232），铀只有两种同位素（235 和 238。同位素 234 太少了，可以 不计）；但是实验结果表明从钍找到了一种以上的放射性物质，从铀找到了 两种以上的放射性物质。反复的实验结果证明这些结果是对的，事实上放射
性物质的品种还要更多。 这些结果引起了约里奥—居里夫人和哈恩等的注意。他们都重复了这些
实验，并且进一步研究这些新物质的放射性质和化学性质。开始都把希望放

在得到原子序数更高的元素上，对铀来说就是希望得到超铀元素。但是实验 结果出现了意外。最后约里奥—居里夫人和南斯拉夫的萨维奇（P.Savitch） 合作，找到中子打击铀或钍可以产生同一种化学性质类似“镧”（第 57 号） 的元素 R3.5，它放出β射线，半衰期为 3.5 小时。哈恩和斯特拉斯曼找到中 子打击铀能产生化学性质类似“钡”（第 56 号）的元素，它也能放出β射线。 中子打击铀和钍可产生同样一种新同位素，这跟已知规律是不符的，而且镧 与钡皆为周期表中部的元素，而非预期的超铀元素。这使当时的科学界（1935
—1938）困惑。大家问是否超铀元素的化学性质预测得不准确？即令如此， 从铀和钍何以得到同一放射物质？
　　当时为了解释实验结果，哈恩等曾设想，铀吸收中子后，不稳定，会放 出两氦核（并无实验证明），自己变成了一个镭（88 号元素）的新同位素； 这个新同位素又放出β射线，衰变为锕（第 89 号元素）的新同位素。在这样 设想下，镭与钡、锕与镧在化学性质上有相似的地方，因而可以用镭来解释 类似钡的放射物，用锕来解释类似镧的放射物。这种设想虽与超铀元素的想 法不尽相同，但在指导思想上却异曲同工，即新元素应该是重元素附近的元
素。

六、核裂变的发现


　　类似钡与镧的物质到底是什么？是钡还是镭？是镧还是锕？这是解决矛 盾的关键。
　　1938 年秋，约里奥—居里夫人等证明半衰期为 3.5 小时的放射物质是镧 不是锕，但没有提出解释方案。1939 年，哈恩和斯特拉斯曼（Fritz
Strassmann，1902—1980）发现 R3.5 是几种元素的混合物，其中有几种是碱
土金属，它们放射β粒子后变成了稀土元素。在轰击时铀—235 的核裂为两 部分，产生了钡的同位素（原子序数为 56），钍也有类似的情况。钍在用中 子轰击时同样生成铀—233，也能再分裂。下面摘自哈恩和斯特拉斯曼发表他 们这个发现时的那份报告中的评注：
　　“作为这些研究的结论是，我们必须更改以前的蜕变方式中所提出到的 物质的名字，把以前叫做镭、锕和钍的元素称为钡、镧和铈。作为接近核物 理学家的核化学家，我们很不愿意迈出了和所有以前原子核物理学的经验相 抵触的这一步。”
　　为什么哈恩能确切作出结论，因为他是一个很优秀的放射化学家，化学 分析能力是非凡的，过去他发现过“射钍”，对镭和钡等元素的同位素都非 常熟悉，因而能明确从化学角度确定放射性元素钡。但他的观念却是保守的， 还不能摆脱旧框框的束缚。尽管哈恩由于首次发现了核裂变而获得了 1944 年诺贝尔化学奖，但在以后被提名以 Hahnium 命名新元素时却被否决。但哈 恩的长期合作伙伴梅特娜就不同了。她虽然没有获得诺贝尔奖，但却获得了 通过以 Meitnerium 命名 109 号元素（Mt）。
梅特娜（Lise Meitner，1878—1968），奥地利—瑞典女物理学家。曾
与哈恩合作发现放射性元素镤（1918），第一次世界大战后回到柏林任凯瑟·威 廉研究所辐射物理部主任。1935 年她和哈恩开始研究铀核在中子轰击下的变 化。1938 年希特勒吞并奥地利，因她系犹太族，担心受迫害，逃往瑞典。当 时她的衣袋中只带了不多几枚德国硬币，哈恩送她从母亲那里继承来的钻戒 以备不时之需。梅特娜于 1938 年到达瑞典，那年的圣诞节，已在哥本哈根工 作的外甥弗里施（Otto Frish）赶来和她一起过节。梅特娜先让他看哈恩的 来信，当时弗里施曾提出实验是不是做错了；但是梅特娜却说像哈恩那样高 明的化学家不可能出这样的错误。弗里施熟悉玻尔提出的原子核“液滴模 型”，梅特娜熟悉核反应中确切数据，经过讨论，梅特娜提出了一个清晰合 理的解释：铀，钍核受中子打击后能分裂成大小差不多的两块，分裂的方式
（即两个碎块重量的比例）不完全一样，因为轰击所用中子的能量不同，产 生了多种原子核，这些核都是有放射性的，因而人们找到的远不止两三种元 素，它们处于周期表的中段（原子序数 40—70），钡、镧就在其中。铀裂变 的一种方式和钍裂变的另一种方式，可以产生同样的裂变碎块，因而可以得 到同样一种放射物质，这就解释了先前的实验矛盾，而且预见到核分裂会放 出巨大的能量，中子轰击铀的过程中形成了巨大的原子反冲。
　　1939 年 1 月里，裂变一经理解，弗里施就在连接了一个线性放大器的电 离室中寻找并观察到了由裂变碎片产生的巨大脉冲。这一实验的结果，证实 了他们对哈恩和斯特拉斯曼的实验结果解释是正确的。许多其他物理学家也 随即都证实了这一结果。麦克米伦等人报告说，在空气中裂变碎片的射程可
达 2.2cm。“裂变”是弗里施仿照生物学中细胞分裂一词拟定的，原子核分

裂的现象叫做裂变。这是一种完全新型的反应。裂变的发现震动了当时的科 学界。

七、铀的链式反应和原子能的开发


　　1939 年春，在裂变发现不久后，在法国的约里奥夫妇和在美国的费米几 乎同时用不同的方法去探测铀裂变时是否能放出中子。结果证实确能放出中 子，并且每次裂变放出中子的数目是两个到三个。这个重要发现使人们看到： 释放原子能的钥匙已经找到。
　　从裂变到链式反应，原理上是简单的。裂变的碎块，与相同质量的稳定 核相比必须具有超量的中子。它们要么通过β衰变的慢过程，要么通过中子 的直接发射（如果有足够能量的话）消除这些过量的中子。在第二种情况下， 二次中子可用来产生新的裂变。如果有足够数量的话，将产生比第一代更多 的中子。用这种方式，我们就可以获得一种发散的链式反应。如果这种链式 反应以未控制的方式很迅速发生的话，就会发生猛烈的爆炸，你就有了原子 炸弹，严格地讲就是核子炸弹。在另一方面，如果这种反应能加以控制，形 成一种稳定状态，你就得到了一种新的动力能源。两条途径摆在面前：一条 是向原子弹发展，另一条是核能利用。很不幸向原子弹发展先于核能的利用， 这是科学史上最大的悲剧。
　　低能量的中子可以使某些大的原子核分裂。如果放出的中子被减速剂， 如石墨，减缓速度，它们又能引起其他重原子裂变。如果铀的样品足够大使 放出的绝大部分中子在离开样品以前都能被铀俘获，则链反应将以最大速率 进行。在一定体积内要有足够的样品以维持链反应，此最低样品称为临界质 量。
在原子弹中核炸药先分成几个低于临界质量的小块分开放置，引爆时用
以内向爆炸装置把这些小块聚拢到一起。这时立即发生核爆炸，释放出极大 的能量，把临近一切东西都加热到 500 万到 1000 万度。热气体突然膨胀，立 即炸毁附近的一切，并把放射性裂变碎片散布至广大地区。除冲击波外，原 子弹还发出巨大的辐射热，这也使它具有很大的破坏力。
在地下的铀矿床所以没有发生原子爆炸的危险，原因有二。第一，在自
然界找不到纯净的铀，它仅以化合物形式存在，而且还和其他化合物混在一
235

起。第二，可裂变的92
238

U在天然铀中所占比例不到1％，其余99％都是不

能被热中子分裂的92 U。要制造原子弹或为核发电厂提供核燃料必须先提
纯富集铀同位素，以提高样品中92 U原子的相对含量。通常由矿石得到的
铀仅含0.711％92 U。
　　在西非的加蓬共和国能找到裂变产物，表明大约在 15 万年前这里的铀矿 床曾“超过临界质量”。当时铀-235 的含量可能比现在高。
受控制的核能
235 U核俘获慢中子发生裂变产生碎核、过量中子和大量的能，这个事
实使费米等科学家联想到若能控制中子的数目就可以使裂变反应以合适的速 度进行下去。如果能找到控制中子的办法，中子浓度就可以保持在既使裂变 过程不断进行，而又不会高得失去控制引起核爆炸的水平。这时就有可能从 这样的反应堆中连续取得热能来做有用功。1942 年，在芝加哥大学工作的费 米成功地建造了第一座原子反应堆，称为“原子堆”。原子堆包括：①仔细 稀释的裂变物质；②控制裂变反应的中子减速剂；③控制温度的冷却剂；④ 限制辐射的屏蔽装置。

　　尽管建造反应堆所用的材料可以吸收中子，控制棒将对终止裂变反应提 供最后的灵敏的控制棒，可以使反应堆在不同功率水平运转。
　　一旦反应中产生热量并且对射线采取了安全防护措施，就可以按常规技 术利用此热能来发电、驱动轮船，或使任何需要热能的设备运转。目前核能 主要用发电。核电已成为安全清洁的新能源，与传统的化石能源相比，具有
不排放 CO2、减少温室效应等许多优点。

八、超铀元素


　　在第二次世界大战期间，科学家们在兴奋地研究核裂变的同时，仍时刻 不忘寻找超铀元素。
　　1939 年，美国加州大学的核物理学家麦克米伦（Edwin MattisonMc Millan，1907—）在研究铀核裂变时，想要测量裂变碎片的射程。他设计了 一个简单实验。他们拿了一叠卷烟纸，在最上一层放了薄薄一层氧化铀，将 整叠纸放在回旋加速器靶体所产生的快中子流里照射，然后用盖革计数器测 量每张烟纸的辐射强度。原以为因有氧化铀薄层的阻挡辐射强度会减弱，出 乎意料辐射强度反而增大了。这促使麦克米伦又回到费米的设想上来，“可 否认为有一些中子被铀吸收并没有引起裂变，而是进一步发生β衰变，岂不 就会产生 93 号元素？这种同位素和裂变碎片不同，是不会飞离氧化铀的”。 这时华盛顿卡内基研究院的艾贝尔森（Phlip Hauge Abelson，1913—）来到 加州大学，判明它是铀同位素经过β辐射嬗变产物，其半衰期为 2.3 天。该 核反应是：
238 U ? 1 n→239 U→239 93 ? e?
92 0 92
新元素跟钍和铀难以分开，说明他们的化学性质相似；但与铼的性质不一致， 这跟预测的难于苟同。
其实，哈恩和梅特娜也曾发现这种产物，但是，他们的制品产量太少，
不能得到演示。美国人却仔细地研究了这种粒子，并指出它们形成了第 93 号元素的同位素。这就是说，它是一种超铀元素。他们把它命名为镎
（Neptunium），它来源于太阳系海王星（Neptune）一词，而海王星的轨道
是在天王星（Uranus）之外。用快中子或重氢核（氘核）辐射铀，在美国加 州大学伯克利分校很快就产出了镎的其它同位素。最重要的商品镎是 237Np， 半衰期长达 2.2×109 年，为α放射性：
238 U(n，? ) 239 U ???? 239 Np
92 92 93
　　1940 年，美国化学家西博格（Glenn Theodore Seaborg，1912—）等用 回旋加速器加速的氘核轰击铀，制出了第 94 号元素钚（Pu），其反应是：
238 U(D，n) 239 Np ???? 239 Pu
92 93 94
239 Pu又能发生裂变链锁反应，因此是最重要的原子堆燃料，其半衰期
是22400年，具有α放射性。但半衰期最长的钚同位素是94 Pu，半衰期
为 8×107 年，也是α放射性。用对铀和镎的方法将第二个超铀元素命名为钚
（Plutonium），来源于冥王星（Pluto）一词。钚同位素与慢中子反应，其 反应方式与铀同位素 235U 相同，即当它们分裂时，会产生很大的能量并释放 出一些中子。这样，它就在战争中对原子弹的制造计划起了重大作用。后来 制造方法得到改进，使钚投入大规模生产。
　　在受到战时条件限制的一些问题得到解决后，西博格便领导了一个全面 而有才能的科学研究集体完成了超铀元素的研究。在这项研究中，他在化学 元素发展史上增添了最光辉的一页。
　　对后来陆续发现的 19 种超铀元素的化学性质，通过发展一种精细的超微 量技术而得到测定。西博格和他的小组认识到，超铀元素和希土元素一样， 也是彼此类似的。这两个稀土族各根据自己的第一个元素命名。从镧（原子
　　
序数为 57）开始的称为镧系元素，而新的类族就称为锕系元素。这样四分之 三世纪前门捷列夫提出的周期表又得到一次修正。这是 N·玻尔在几年前就 已预言过的。

镧系元素



锕系元素





由于西博格在超铀元素方面的研究成果，他和麦克米伦分享了 1951 年诺
贝尔化学奖。 他们认识到，铀后元素形成的特殊系列——锕系过渡元素系列，类似于
稀土元素的镧系系列。于是西博格和他的同事们得以预言以下更远的未知的 铀后元素的化学性质，并能使它们分离出来。西博格的名字与若干铀后元素 的发现即第一次分离联系在一起：
第 93 号元素镎 1940 年 第 94 号元素钚 1940 年 第 95 号元素镅 1944 年 第 96 号元素锔 1944 年 第 97 号元素锫 1949 年 第 98 号元素锎 1950 年 第 101 号元素钔 1955 年 第 102 号元素锘 1958 年
至于 99 号和 100 号元素则是热核爆炸（1952 年 11 月）的产物，它们的发现
是有些出乎意料的。 应该指出，全部这些发现应正确地归功于几个研究小组或研究集体，过
去对成果归属问题曾发生过争论，未经证实的 102 号元素的第一次报导是于
斯德哥尔摩的诺贝尔研究所工作的国际物理学家小组在 1957 年提出的，接着 伯克利小组在第二年证实了这个发现。与西博格类似的工作已在前苏联由格 奥尔基·弗廖罗夫（Georgli Flerov，1913—）进行过。
弗廖罗夫为前苏联核物理学家，一生致力于发现和人工合成新元素和新
同位素。他和他的同事们在回旋加速器中用重离子轰击重的原子核，生成并 分析了锕系和超锕系的 102、103、104、105、106 和 107 号元素的同位素。 他们还宣称他们首先鉴别出了超锕系的 104（1964）和 107（1968）号元素， 这一荣誉属于谁目前仍有争议。但是他们在 1987 年宣布的首次合成第 110 号元素肯定没有被证实。其实这类事件在科学的征途上所见不鲜，无损于弗 廖罗夫作为一名优秀的核科学家。
在向超铀元素进军的征途中，还要提到美国核物理学家 A·吉奥索
（Albert Ghiorso，1915—），1937—1942 年在回旋加速器专门公司任工程 师。1942—1969 年在加利福尼亚大学劳伦斯—伯克利实验室工作，1969 年后 在该实验室重离子直线加速器化学部工作。1942 年起，在 G·T·西博格领导 下从事钚的研究，结合他的专长，负责维修和设计仪器，在新元素的合成和 鉴定方面做出了一系列重大贡献。1943 年改进了高几何因子的计数技术并用

云母片吸收法测量了α粒子的射程，促成了元素锔和镅的发现。1946 年随西 博格进行锫和锎的合成和鉴定研究，他发展了 48 道脉冲高度分析器，为这两 种元素的发现创造了条件。1952 年 11 月在南太平洋进行了一次热核爆炸， 他和同事们从尘埃中分析超锎组分，先后发现了元素锿和镄。1955 年又发现 了元素钔。合成和鉴定钔后面的元素更为困难，为此他设计了直线重离子加 速器。后来又提出了将直线重离子加速器与高能加速器（Bevatron）相连接 的概念。根据他的设想，建成了世界上第一台能加速重离子的高能加速器
（Bevalac）。到 1978 年为止，他作为主要研究者，又合成了 102—107 号元 素。1973 年获美国化学会核应用奖。
108 号元素是 1984 年联邦德国达姆斯塔特重离子研究所的 G·明岑贝格
（Münzenberg）用加速器加速的铁离子 58Fe 轰击铅靶得到的，共记录了三个
265108 原子，其寿命值分别为 24、22、34 毫秒，并通过测定 265108 的衰变链 子体 253No 的方法，确证 108 号元素的合成。
208 Pb( 58 Fe，n) 265 108 ???? 261 106 ???? 257 104 ???? 253 No
　　109 号元素是 1982 年联邦德国达姆斯塔特重离子研究所的 G·明岑贝格 等用加速器加速的铁离子轰击铋靶合成的。在长达一星期的合成实验中。总 共使用了 6×1017 个离子，只获得一个新元素原子，也是用测量 266109 的衰 变链子体的方法确证 104 号元素的合成。
209 Bi(58 Fe，n) 266 109 ???? 262 107 ???? 258 105 ?E?C? 258 104 ??SF? ?
　　从 89 号元素锕到 103 号元素铹形成第二个稀土族——锕系元素。它们在 周期表中和镧系相对应。近年来已对它们的各种物理的和化学的性质进行了 相当详细研究。自 1964 到 1984 年间，美、苏和联邦德国的核物理学家又合 成了自 104—109 号元素，但由于它们的寿命太短而且数量太少，难于充分研 究它们的化学性质。根据锕系理论，103 号元素铹有 14 个 5f 电子满壳层，
104 号元素是锕系后的第 1 个元素，属 6d 过渡元素，应与其在周期表中同族
的铪相似，而不同于锕系元素。 随着对核性质认识的进展，对周期表高原子序一端的各元素的化学性质
有了更深入的新认识。锕系的最后一个元素是铹（103 号元素），这个预言
是由于实验表明第 104 号元素具有预期的Ⅳb 族元素的性质而得到肯定。这一
肯定把对于高 Z 值元素化学性质的预测放到了一个更牢固的立足点上。
命名问题
西博格曾建议将 95 号元素命名为镅（Americium）以对应于 63 号元素铕
（Europium）；将 96 号元素命名为锔（Curium）以纪念居里夫妇，对应于
64 号元素钆（Gadolinium）纪念芬兰化学家 Gadolin；将 97 号元素命名为锫
（Berkelium）纪念超铀元素发祥地伯克利城（Berkely），对应于 65 号元素 铽（Terbium）纪念稀土元素发祥地伊特比村（Ytterby）。从 98 号元素起没 有合适的对应名字，98 号元素被命名为锎（Cali-fornium）以纪念美国加利 福尼亚州。
　　新的锕系元素继续被发现。1952 年发现了锿（Einsteinium）（原子序 数为 99），1953 年发现了镄（Fermium）（原子序数为 100），它们的命名 是为了纪念不久前逝世的爱因斯坦（1955 年）和费米（1954 年）。1955 年，
101 号元素被发现，为了纪念门捷列夫 （ Mendel ěev ）命名为钔
（Mendelevium）。1957 年，102 号元素被发现，命名为锘（Nobelium），这

是为了纪念他们进行了许多研究工作的斯德哥尔摩诺贝尔研究所，也间接地 纪念诺贝尔（Alfred Bernhevre Nobel，1833—1896）本人。1961 年，103 号元素被发现，为了纪念劳伦斯 （那时他已去世），将它命名为铹
（Lawrencium）。至此，锕系元素已全部被发现，亦即 5f 亚层的电子全部填 满；它们和镧系元素相对应。
　　自 1964 年到 1984 年间，美、苏、西德科学家又用重核粒子轰击适当的 元素靶子制得了 104 号到 109 号元素。但自 104 号、105 号起，美苏两国在 命名问题上发生分歧，苏联科学家把他们合成的 266104 号元素命名为 Kurchatovium（■），元素符号为 Ku，以纪念苏联物理学家库尔恰托夫（З. В.Кулвчатов，1903—1960）；而美国科学家则把他们合成的 261104 号元素命名为 Rutherfordium（■），符号定为 Rf，以纪念英国原子物理学
家 E·卢瑟福。
　　1970 年，美国加州大学伯克利实验室和苏联杜布纳联合核子研究所分别 制出了 105 号元素。但在命名问题上美苏两国科学家又发生了严重分歧，他 们都宣称有权为此新元素命名。双方又展开了谁先发现和命名权的争论。苏 联科学家把他们制得的 260105 命名为 Nielsbohrium，元素符号为 Ns，以纪 念首先对原子结构提出量子化轨道理论的丹麦科学家 N·玻尔；而美国科学 家则坚持把他们发现的 261105 命名为 Hahnium（■），元素符号为 Ha，以纪 念核裂变的发现者，德国科学家哈恩。
但是，对 104 号和 105 号元素的命名，哪一个也没有得到国际上公认。
1977 年 8 月国际化学协会无机组宣布了一项决定（不过没有约束力），从 104 号元素起，不再以人名、国名和地名来命名，而是根据新元素的原子序数来 命名。即用拉丁文的数词组合起来，然后在词尾上加上“ium”。这些数词是：
nil=0 un=1 bi=2 tri=3 quad=4 pent=5 hex=6 sept=7 oct=8 enn=9 　　这样一来，104 号元素的名称就为 Unnilquadium，符号 Unq。105 号元素 的名称为 Unnilpentium，符号 Unp。
经过十多年的争论，到了 1997 年，周期上原子序 104 号到 109 号这 6
个重元素终于有了正式名称。国际理论与应用化学联合会（IU-PAC）执委会 提出，104 号元素应叫做 Rutherfordium、105 号至 109 号元素应分别叫 Dubnium、Seaborgium、Bohrium、Hassium 和 Meitnerium。
这 6 个元素除 Dubnium 是以前苏联杜布纳联合核子研究所所在地
Dubna，Hassium 是以德国达姆斯塔特重离子研究所所在地的州命名外，都是 用著名科学家的英文名字来命名的，词尾的“ium”三个字母是化学元素名称 常用的后缀。到目前为止，元素周期表上前 103 个元素都有了自己的名称和 相应的元素符号，而且每个元素也有了固定的中文名称。103 号以后的 6 个 元素的中文名称和元素符号都已确定。它们是■（Rf）、■（Db）、■（Sg）、
■（Bh）、■（Hs）、■（Mt）。 过去，某个元素的发现者常有权为该元素命名，元素的名称多用一些著
名科学家的名字来命名。用一个国家的科学家的名字来命名某个元素。常常 被看作这个国家的巨大荣誉，因此争夺元素命名权的竞争是很激烈的，也正 是由于这个原因，104 号至 109 号元素才迟迟没有被命名。
　　106 号元素是美国科学家发现的。1994 年，该元素的发现者们要求用钚 元素的主要发现者格伦·西博格的名字为其命名，但国际理论与应用化学会
　　
拒绝了这一要求，理由是西博格还活着，不能用一个尚健在的人为一个化学 元素命名。但美国人反对，他们于 1952 年以爱因斯坦和费米的名字为 99 号
和 100 号命名为 Einsteinium 和 Fermi-um，当时他们都健在。1997 年 8 月在 日内瓦举行的国际理论与应用化学联合会议，终于同意了这一要求。

九、超重核稳定岛及其攻坚战

（一）超重元素（superheavy elements）


　　根据核理论预言可能存在的原子序数大于 110 的化学元素。相对应的原 子核称为超重核。自从 1940 年人工合成 93 号元素镎和 94 号元素钚以来，元 素周期表就开始“延长”。随着超钚元素的陆续合成，元素周期表究竟能延 长到哪里的问题很自然地就提到了人们的面前，为了回答这个问题，在 1966 年前后，核理论工作者根据原子核的壳层模型理论提出了关于超重元素存在 的预言。
　　预言的提出 20 世纪 20 年代末发展起来的原子核壳层模型理论解释了 周期表中具有 2、8、20、28、50、82 和 126 等幻数的核的丰度较大和特别稳 定等实验结果。1948 年以来，美国物理学家 M·G·迈尔（Mayer）等强调了 质子数 Z 或中子数 N 为幻数的原子核的特别稳定性。1959 年丹麦物理学家 S·G·尼尔松（Nilsson）等将尼尔松单粒子能级图外推到 Z=126，显示出 Z=114 的壳层效应。1960 年前后瑞典物理学家 S·A·E·约翰松（Johansson）在普 遍液滴模型基础上，利用尼尔松轨道作了壳修正；他的计算证明，在 N=184 附近可能存在寿命足够长的核。1965—1966 年迈尔等推广了液滴模型公式， 并在核近似为球形时加以壳修正，从半经验质量公式出发，预言超重核稳定 岛的存在。裂变势垒高达几兆电子伏。苏联物理学家 B·M·斯特鲁宾斯基发 展了壳修正法，提出 Z=114 为质子幻数。1969 年尼尔松等全面系统地进行了 计算和讨论，得出了 Z=114、N=184 的核 298114 为双幻数核，围绕它可能存 在一个由成百个超重核组成的稳定岛，其中寿命最长的可达 108 年。
1972 年核物理学家 E·O·菲塞特等预测最稳定的超重核自发裂变半衰期
可达 1015 年。1976 年丹麦核物理学家 J·朗德鲁普等又进一步修正计算模型， 预测最稳定的超重核自发裂变或α衰变半衰期约为 1 年。可见根据不同模型 计算出来的超重核半衰期能相差几十个数量级，1977 年美国核物理学家 J·R·尼克斯等估计，由于计算采用单粒子能级图以及计算模型等元素，使 超重核自发裂变半衰期预测值的不确定因子达 10±7～10±10。1986 年联邦德 国核化学家 P·默勒等引进他们提出的壳修正，应用一个半经验关系式计算 超重核的自发裂变或α衰变的半衰期仅为 1 秒～2 秒，这一结果使得寻找超 重元素的研究面临着十分困难的局面。

（二）超重核稳定岛（islandofsuperheavynuclei）


　　形象地比喻一批理论预言可能存在的原子核。已发现的核素有 2000 多 种，如果以核内的中子数 N 为横坐标，质子数 Z 为纵坐标，把所有稳定的和 放射性的核素标在核素图上，便可以清楚地看出，自然界中已知的稳定核素 都聚集在中子数接近质子数的一定范围内；在平面图上，称为β稳定线或者 稳定带；在立体图上，可称为β稳定半岛（见图 2－1）。
　　由图可见，稳定半岛是高低不平的，这表示了原子核稳定程度的不同。 当核内的质子数和中子数为 2、8、20、28、50、82 和 126 等幻数时，核就处 于“山峰”地带，较为稳定。那些中子数或质子数远离稳定半岛的核，会通 过β衰变、α衰变、质子发射或电子俘获等方式到达稳定半岛。
　　
1966 年前后，核理论工作者根据壳层模型理论推测：质子的下一个幻数
是 114，而中子的下一个幻数是 184，由双幻数核组成的 298114 将特别稳定。 围绕着它可能存在成百个超重核，这一区域通常被形象地称为超重核稳定 岛。究竟如何？当然要靠实验去决定。



（三）超重核稳定岛攻坚战


　　超重核稳定岛是一个诱人的目标，引无数英雄竞折腰。自从 60 年代中超 重元素理论预言提出后，实验工作者通过以下三种途径寻找它们：①新建和 改建一些重离子加速器，根据各种设想的重离子反应机理，使用更重的入射 离子轰击重元素靶，进行人工合成超重元素。设计并已使用过的核反应有：
238U+238U→476[184]→298114+170Yb+8n
238U+248Cm→?
48Ca+248Cm→296116 但实验结果都是否定的。②用高空气球、宇宙飞船等运载工具，带着核乳胶 和其他探测器寻找宇宙射线中可能存在的超重核。曾使用核乳胶叠和核乳 胶、聚碳酸酯与醋酸纤维组成的混合叠等探测装置，升至约 40 千米高空进行 探测，但未获得肯定结果。③在地球和陨石物质以及月球样品中，用 X 射线 荧光光谱分析法、质谱法以及各种核探测方法等寻找可能存在的长寿命的超 重元素。已寻找的物质包括不同来源的陨石、月岩、月尘、金、铜、铂、铅、 汞、钼、锌、镍等几百种矿物，金属冶炼厂的烟道灰、阳极泥、海底锰结核， 以及数以千克计的纯铂、汞、铅、钨等样品。但结果都是否定的。真可谓上 穷碧落下黄泉，两处茫茫皆不见。提高能量的后果常使剩余核处于高激发态， 很容易发生裂变，因而影响形成超重核。由于重离子反应截面低，需要提高 重离子束流强度，至少应再提高三四个数量级，一般加速器尚无法满足这一 要求。为了实现超重核的人工合成，核化学家提出了用冷融合反应合成超重 核的设想。1985 年默勒提出下述反应合成 271110：
　　　　　　　　　　　　64Ni+208Pb→271110+n
美国核化学家 A·吉奥索提出另一冷融合反应：
59Co+209Bi→266110+2n
此外，还有用较小原子序数的重离子轰击重超铀靶的设想，如：
23Na+254Es→273110+4n
26Mg+249Cf→271110+4n
　　应该说，在总结经验的基础上，在向超重核稳定岛攻坚战中已经取得不 少成功。从 1994 到 1996 的三年中捷报频传，先后合成了 110、111、112 号 三种超重元素。这是以德国核化学家彼得·安布拉斯特为首的各国科学家， 包括俄罗斯、芬兰以及斯洛伐克的科学集体智慧的结晶，地点皆在德国达姆 斯塔特重离子研究中心（GSI）。
1.元素 110 的合成
　　1994 年 11 月 9 日 4 时 39 分在德国达姆斯塔特重离子研究中心（GSI） 工作的科学家记录到第 110 号元素存在的证据。他们用数以亿计的镍原子轰 击数以亿计的铅原子连续几天才发现了 110 号元素的踪迹。这一元素的原子 量为 269，衰变寿命只有 0.4 秒。共得 3 个原子。
　　
208 Pb ? 62