镄为人造放射性元素,元素符号为Fm,金属元素,化学性质类似稀土元素。1952年,美国加州大学伯克利分校教授吉奥索带领团队首次发现镄,而后为了纪念物理学家 费米 将此元素命名为镄(Fermium)。

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镄的发现

镄是在1952年第一次氢弹爆炸后的 辐射 落尘中发现的,并以诺贝尔奖得主 原子核 物理学家恩里科·费米(Enrico Fermi)命名。由于产量极少,镄在基础科学研究之外暂无实际用途。与其他人工合成的 同位素 一样,镄极具放射性,毒性亦很强

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镄是在1952年11月1日第一颗成功引爆的氢弹“Ivy Mike”的辐射落尘中首次发现的。在对辐射落尘的初步检验后,科学家发现了一种新的钚同位素(244,94Pu),其只能通过铀-238吸收6颗 中子 ,再进行两次β瀢变才会形成。当时一般认为,重原子核吸收中子是一件较罕见的现象,但244,94Pu的形成意味着铀原子核可能会吸收更多的中子,从而产生更重的元素。

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第99号元素(锿)很快便在与爆炸云接触过的滤纸上被发现了。(244,94Pu也是通过飞机搭载滤纸在辐射落尘云中飞过而发现的。)1952年12月阿伯特·吉奥索等人于伯克利加州大学辨认出锿元素。他们发现了同位素Es(半衰期为20.5天)。该同位素是铀-238原子核在捕获15颗中子后形成的,其之后再进行7次β衰变。

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镄(Z = 100)的发现却需要更多的研究采样,因为其产量预计比锿要少至少一个数量级。故此在核试验进行地点埃内韦塔克环礁处受污染的珊瑚礁被送到美国加州劳伦斯伯克利国家实验室进行处理及分析。核试验后两个月,研究人员分离了样本的一部分,并发现它放射高能量的α粒子(7.1 MeV),半衰期大约为1天。如此短的半衰期意味着其肯定源于某种锿同位素的β衰变,也就是样本本身必为新的100号元素的某种同位素。很快衰变源便被确认Fm(t = 20.07(7)小时)。

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由于当时正值冷战时期,该新元素的发现消息以及有关中子捕获的新数据被美国军方列为机密,一直到1955年才被公布。不过,位于伯克利的团队自行通过对钚-239进行中子撞击,合成了第99和100号元素,并于1954年发布了研究结果。报告中附有声明,注明此前已有过对这些元素进行的研究。有关“Ivy Mike”核弹的研究在1955年解密。

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伯克利的团队曾担心,在其机密研究结果公布之前,别的研究团队会通过离子撞击法发现较轻的镄同位素。事实上,瑞典斯德哥尔摩诺贝尔物理研究所的一个团队也独自发现了该元素。他们以氧-16离子撞击23892U目标,合成了同位素Fm(t = 30分钟),并于1954年5月发布了这项发现。但是,人们一般还是承认伯克利团队较早发现镄元素,因此该团队拥有对该元素的命名权。他们决定将其命名为Fermium,以纪念原子弹之父恩里科·费米(Enrico Fermi)。

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在核爆炸中合成

对1千万吨级核弹“Ivy Mike”的辐射落尘所进行的分析是一项长期项目,其目的为研究在高能核爆中超铀元素的生产效率。使用核爆的原因如下:把铀转变成超铀元素需要多重中子捕获,而捕获概率随中子通量的提升而增加。核爆炸是最强的中子源,每微秒每平方厘米能够产生10个中子(约10中子/(cm·s))。相比之下,高通率同位素反应炉的中子通量也只有5×10中子/(cm·s)。埃内韦塔克环礁爆炸处随即设立起了一座实验室,以对辐射落尘进行初步分析,因为某些同位素在被送到美国本土之前,便可能已经衰变殆尽了。飞机带着滤纸在核爆之后飞过环礁的上空,并把采回的样本立即送往该实验室。起初,人们希望能够以此发现比镄更重的元素,但在1954年至1956年于该环礁进行了一系列百万吨级核试验之后,却仍没有发现这些元素。

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由于相信在局限空间内的核爆可能会增加产生重元素的可能性,因此内华达试验基地(现内华达国家安全区)又在1960年代进行了地底核试验,并采集了数据。除了一般的铀之外,核弹还装有镅和钍与铀的混合物,以及钚与镎的混合物。因为装载的重元素提高了裂变率,并导致较重同位素的流失,试验结果产量偏少。又由于原子尘分布在地下300至600米处熔化及汽化了的岩石中,而到如此的深度钻地取样又缺乏效率,对产物的提取分离也非常困难。

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在1962至1969年间进行的9次地底核试验中,最后一次的规模最大,而其超铀元素产量也最高。这是因为拥有奇数核子的同位素有较高的裂变率。研究中最大的问题在于采集爆炸后散落在各处的原子尘。载有滤纸的飞机只吸附到总量的4×10,而在埃内韦塔克环礁处所采集到的量也只增加了两个数量级。在“Hutch”核试验60天后提取的500公斤岩石当中也只有总量的10。这500公斤岩石,相比在爆炸7天后取得的0.4公斤石块,其含超铀元素的量只不过高出30倍。这证明超铀元素的量与收集的岩石重量是不成正比的。

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为了加快样本采集的速度,人们在核试验之前就在爆炸原点钻出了若干个竖井,这样爆炸就会把足够的样本从中心通过竖井带到地表,方便采样。该方法在“Anacostia”和“Kennebec”核试验中得到尝试,并立即为研究提供了数百公斤的物质,但是其中锕系元素的浓度比通过钻地取得的样本的少三倍。这种方法虽然能够有效帮助研究存留时间短的同位素,但却无法提高整体锕系元素的产量。

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尽管这一系列核试验没有再产生新的元素(除锿和镄外),而所取得的超铀元素量也不如理想,但其总体产生的稀有重同位素的量却仍比此前实验室中能够合成的要多。在“Hutch”核试验中取得的6×10颗Fm原子被用于研究Fm的热中子诱发裂变,并以此产生了新的镄同位素:Fm。采集到的还有大量稀有的Cm同位素,这是很难从Cm产生的:Cm的半衰期(64分钟)相对需数个月时间的反应炉辐射来说太短,但对于核爆炸时间段来说就很长了。

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