“打開”原子核 探索同位素

不久前，一個多國聯合研究小組首次觀測到氧28，它是有史以來最重的氧同位素(含有8個質子和20箇中子)。它的發現之所以這麼重要，是因爲按照理論預測，氧28極可能是穩定的，但實際上它只存在非常短暫的時間，就迅速衰變分解了。這意味着，人們之前對於原子模型的假設和規律的認知存在一定偏差。同時，也爲進一步瞭解元素及其同位素的形成、原子結構模型、強弱相互作用等重大基本問題提供了新的思路和挑戰，有可能會引發相關領域的理論革新。

發現原子核裡的微觀世界，分析物質的基本組成

關於物質的基本組成問題，早在數千年前古人就開始思考。比如古希臘的四根說(四元素說)、中國古代的陰陽五行學說，都是人們對於世界本質認知的代表理論。公元前5世紀的古希臘學者德謨克里特認爲，任何事物都是由一種不可再分的微粒，也就是原子所構成的。《墨子·經下》中“非半弗斫，則不動，說在端”也指出，物質不斷分割到無法再分時的物質叫作“端”。這些都是原子理論的雛形，直到2000多年後的20世紀初，人們才搞清楚原子的結構。

人們對原子的認識伴隨着對元素的研究不斷髮展。18世紀末，卡文迪許、舍勒、普里斯特利、拉瓦錫相繼發現並完善氧和氫元素的性質，19世紀成爲元素研究的高峰期，一個又一個元素的發現讓人們進一步認識物質的組成，並開始總結一些規律。

1803年，英國科學家道爾頓提出了物質(元素)都是由不可分的微粒——原子構成的，每種元素的原子都有自己特殊的質量——原子量。1869年，俄國科學家門捷列夫基於元素質量與其化學性質的週期性變化提出了大名鼎鼎的元素週期表，十分準確地預測了一些未知元素的性質。直到此時，人們都還是相信，原子是不可再分的粒子。

直到1897年，英國科學家湯姆生通過測定陰極射線在電磁場下的運動速度和偏轉角度，計算出這種帶負電的陰極射線粒子質量僅爲氫元素的約兩千分之一，這就是我們現在熟知的電子。比原子更小的電子對原子不可再分理論提出了挑戰，湯姆生據此提出了帶正電的原子表面鑲嵌着電子的“葡萄乾布丁”模型。1911年，湯姆生的學生盧瑟福做了一個著名的α粒子散射實驗，用帶正電荷的α粒子(即氦4原子核)轟擊金箔，發現大部分α粒子直接穿透了金箔，同時有極少部分的氦離子被大角度散射甚至反射了回來。盧瑟福由此推斷原子內部結構並不是均勻分佈，而是集中在一個非常小的範圍內，提出了電子繞着帶正電的原子核運動的“行星結構”模型。

1919年，盧瑟福繼續用α粒子轟擊氮氣。過程中，他發現氮釋放出一種與氫原子核質量和電荷一致的粒子，將其命名爲質子。從而證明了原子核可以再分，這是歷史上第一次人工核反應。不過，從原子核的電荷推測出的質子數與大部分原子的質量卻對不上——大部分原子的質量都比其中的質子加電子重很多。與此同時，還發現一些具有相同質子數的原子卻具有不同的質量，因此盧瑟福猜測原子核內部還有一種不帶電的中性粒子。1932年，盧瑟福的學生查德威克用α粒子轟擊鈹，產生了一種不帶電的射線，再用此射線轟擊氫氣、氮氣，結果打出了氫核和氮核，通過測定被打出氫核和氮核的速度，發現這種未知射線的質量和質子接近，確證了中子的存在。至此，由質子、中子、電子組成的經典原子結構模型建立起來，盧瑟福也被譽爲“核物理之父”。

找到同位素，探索善變的元素世界

在研究原子內部結構的過程時，科學家們也觀察到了一些放射性元素衰變的現象和規律，盧瑟福和英國化學家索迪在研究釷、鐳、錒等放射性元素後，於1903年提出了元素嬗變理論：放射性屬於原子自身變化，放射出α、β、γ射線後，變成另一種原子，直至穩定爲止。其中α射線正是盧瑟福在發現原子核和質子、中子實驗中使用的氦離子(α粒子)，β射線是電子，γ射線是光子。這一時期從鈾、釷等放射性元素中不斷分離出一個個“新”放射性元素，多到元素週期表中沒有足夠的空位放進這些“新”元素，然而這些元素中，有不少元素化學性質卻是一致的。因此在整理這些數據後，索迪於1910年提出了著名的同位素假說：存在着不同原子量和放射性而其他物理化學性質相同的化學元素變種，應在元素週期表上佔據同一個格子。

此後不久，人們就分別從鈾238和釷232得到鉛206和鉛208。1912年，湯姆生爲了深入研究電子，改進了帶有電場和磁場的儀器，讓氖原子核通過儀器，結果檢測板上出現了兩條軌跡。他將氖氣反覆提純，結果依舊，說明存在兩種原子量的氖。這是穩定同位素存在的第一個實驗證據，這臺分離氖同位素的儀器就是第一臺質譜儀。後來他的學生阿斯頓改進了質譜儀的精度，進一步檢測到氖確實具有兩種原子質量的同位素氖20和氖22，此後陸續從其他71種元素中發現了200多種同位素。由於分辨率更高，阿斯頓藉助質譜儀得到了各個同位素的比例，如氖20∶氖22約9∶1，所以氖的原子量是20.2；氯元素的主要同位素是氯35和氯37，大致比例爲3∶1，所以氯的原子量就是35.5。

而隨着中子的發現，原子內部的秘密終於被揭開。同位素就是一種元素存在着質子數相同而中子數不同的一系列原子。由於質子數相同，所以同位素的電荷和電子數都相同，並具有相同的化學性質；但由於中子數不同，同位素的原子質量也就不同，原子核的穩定性(放射性)也有所不同。迄今發現的118種元素中，穩定同位素近300種，只有20多種元素未發現穩定的同位素，而放射性同位素多達3000多種，所有的元素都有放射性同位素。有意思的是，質子數爲偶數的元素比質子數爲奇數的元素有更多的穩定同位素，通常不少於3個，而且大多數具有偶數箇中子；而質子數爲奇數的元素，最多隻有2個穩定同位素，一般只有1個，而且也幾乎是偶數箇中子。此外，隨着質子數(原子序數)的增長，元素丰度急劇下降，這些規律與原子核的內部結構和穩定性具有什麼樣的關聯，成爲科學家們的下一個興趣點。

幻數和穩定島，具有魔力的原子核

爲了合理地解釋原子核內部的多核子系統，伽莫夫最早提出了“液滴模型”，把原子核描述成一種由中子和質子組成的密度極高且不可壓縮的液滴。後來德國科學家魏茨澤克和貝特在此模型基礎上發展了半經驗公式，來量化原子核結合能。運用液滴模型能很好地解釋結合能、質量公式以及原子核的裂變現象。如果給予足夠的額外能量，球形的原子核可能會扭曲成啞鈴狀，然後分裂成兩個碎片並釋放能量。但是，液滴模型卻並不能解釋原子核性質的週期性變化現象。

液滴模型公式得到的結合能與實驗值之間存在一些偏差，尤其是當質子數或中子數爲2，8，20，28，50，82，126時，原子核具有特別大的結合能(穩定性)。觀察到這些現象後，美國科學家梅耶提出了“幻數”(Magic Number)概念：當質子或中子數爲幻數時，原子核比較穩定；而當兩者均爲幻數時，原子核因具有雙倍的“魔力”而特別穩定。像我們熟知的氦4(2個質子和2箇中子)、氧16(8個質子和8箇中子)、鈣40(20個質子和20箇中子)、鉛208(82個質子和126箇中子)，這幾個天然穩定同位素都是這種雙幻數的原子核。

爲了解釋幻數理論，梅耶和德國物理學家簡森在1949年各自獨立地提出了原子核的“殼層模型”：與原子核外的電子類似，原子核內部也有不同能級的殼層；質子和中子並不是隨意排列的，而是從最低能級開始填充殼層，填滿後就會形成一個閉殼層；所有殼層都是閉殼層時，原子核具有特別的穩定性。不難看出，殼層模型更好地解釋了原子核性質的週期律和幻數的存在。一個很好的證據就是鈣48，它有20個質子和28箇中子，屬於雙幻數原子核，雖然其中子數比正常的鈣40多了8個，具有放射性，但依然非常穩定，半衰期超過60億年！

由此，我們也就應該明白爲何科學家們如此期待氧28的觀測。氧28的原子核中有8個質子和20箇中子，具備雙幻數的條件，是極可能穩定的原子核，雖然實驗結果並非預測的那樣，氧28在大約10-21秒內就衰變成了4箇中子和1個氧24原子。值得一提的是，在本次觀測氧28的實驗中，富含中子的鈣48就是最初始的炮彈，用它轟擊鈹靶產生氟29後，再轟擊液氫靶，使氟29丟掉一個質子，產生氧28。

在殼層模型基礎上，美國化學家西博格在20世紀60年代末提出了“穩定島假說”。他將質子數和中子數作爲座標系的x、y軸，原子核穩定性作爲z軸，可以觀察到各個穩定同位素都大致處於一條“穩定山脈”上，越接近幻數的同位素越穩定；另一方面，當質子和中子數越高時，同位素越不穩定，但仍然有可能在114號、120號、126號元素附近存在一個“穩定島”，對應的中子數爲184左右。遺憾的是，這幾個預測可能穩定的同位素還沒有合成觀測到，但是科學家們也在穩定島理論指引下合成了一批新的元素，如元素週期表106號以後的元素，幾乎都是這樣發現的。

對於幻數和穩定島理論，科學家們也有一些新的發現。如117號同位素衰變的產物鐒266顯示出11小時的半衰期，對如此重元素的原子來說是非常長的；它有103個質子和163箇中子，暗示了尚未發現的可能幻數。還有學者報道，6、14、16、30、32也可能是新的幻數。我國和其他國家科學家在2007年合作發現，108號元素[~符號~]270半衰期長達22秒，遠超[~符號~]265(不到半毫秒)，間接驗證了模型和理論預言的質子數108和中子數162也可能是幻數。

殼層模型成功預言了在雙幻核附近的超重核存在，但只能針對球形核，無法解釋非球形原子核的核子振動和轉動等規律，因此丹麥科學家小玻爾和莫特森在1953年提出了原子核的“集體模型”(也稱統一模型)，綜合考慮原子核中單粒子運動和集體運動，結合了殼層模型和液滴模型來解釋兩者都無法單獨解釋的某些原子核的磁性和電學性質。

應用同位素，造福人類

科學家發現或合成的各類同位素有3000多種，究竟有什麼用途呢？我們知道，大多數在自然界中天然存在的元素都存在一種或幾種穩定的同位素，這種在自然界無處不在的特性使得同位素應用具有普遍性，在地質土壤、農業食品、臨牀藥物、生態環境等領域有着廣泛應用。

首先，元素的同位素丰度比常常是固定的，但在自然界的多種物理、化學、生物作用下，又會在某一時期、某一地域產生小幅的波動，因此穩定同位素保存着自然界一定的時空信息，對於研究特定物質的溯源、轉化具有重要價值。比如氧同位素就可以提供關於古大氣、古海洋、古生物和古氣候等方面的信息，通過測量海洋沉積物中硫酸鹽的氧17同位素，可以推斷出過去大氣中氧氣含量的變化。又如食品領域，常常使用碳13、氮15等同位素差異，對有機蔬菜、水果、植物油、葡萄酒、咖啡等進行產地溯源或摻假鑑定。

其次，穩定同位素氘、碳13、氮15、氧18等，可以作爲示蹤劑來標記化合物，配合質譜、核磁共振、光譜等分析手段，來測定、追蹤化合物中某個或多個特定原子是否參與反應，從而定性、定量地瞭解反應的機理、途徑、位點等，在蛋白質定量組學、代謝研究、環境分析、臨牀研究等領域已經成爲高效率、高靈敏度的標準方法。特別是在醫學領域，因爲沒有放射性，穩定同位素示蹤劑可以用於包括孕婦、嬰兒的任何患者，如PET診斷試劑、碳13-呼氣法檢測幽門螺桿菌等。

穩定同位素的製備一般可以從自然界中分離得到，如廣泛使用的重水就可以從水中通過蒸餾、電解或化學方式分離提取，進而製備各類氘代試劑。氘代試劑也是核磁共振檢測使用的溶劑，並可用於對OLED面板進行氘化處理，能顯著提升器件亮度和壽命。此外，與氘能發生核聚變反應的氦3也是穩定同位素，因爲聚變過程中不產生中子，所以放射性小，有望成爲清潔、安全、高效的核燃料。

所有的元素都有放射性同位素，相對於穩定同位素，放射性同位素具有一定的半衰期，通常可人工製備。由於同位素的半衰期幾乎是恆定的，因此可以用來定年。比如地球的年齡就是根據岩石和隕石中的鈾元素和其衰變產物鉛元素進行測定的，還有大家熟知的碳14斷代，就是通過檢測有機樣本中衰變剩餘的碳14含量來確定樣品的大致年代。

由於放射性同位素的檢測靈敏度極高，因此在石油化工、水利水文、農業畜牧等領域進行放射性示蹤，來研究物質的遷移、轉化、殘留，是最具優勢的應用方向。還有工業上不少探傷、監測設備，也是利用放射性同位素的射線作爲發射源監控的。另外，利用放射性同位素進行輻照，也廣泛使用於食品滅菌消毒、農業育種增產、材料加工、體外照射治療等。近年來，靶向抗體與放射性核素結合生成的靶向治療核藥物成爲新興的癌症治療策略，北京大學劉志博團隊基於成纖維細胞活化蛋白開發了一系列結合氟18、鉍213、鉛212等的核藥物，展現了顯著的腫瘤抑制作用，且毒副作用較低。

當然，直到今天，我們對於原子核內部的運行機制還並未徹底瞭解清楚，現有的核物理和核化學理論模型還需要完善。宇宙中元素如何演化？原子核有沒有極限？週期律是否繼續？答案也許就在不遠的未來。

(光明日報 作者：周江，系北京大學化學與分子工程學院教授)