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发布时间:2019-02-08加入收藏来源:互联网点击:
劳伦斯和他发明的回旋加速器示意图。 回旋加速器的基本构成是两个处于磁场中的半圆D型盒。带电粒子在交变电场的作用下加速进入磁场,由于受到洛伦兹力而进行匀速圆周运动(B为磁感应强度)。图源:Wikipedia
05
强强联手
时势造英雄。此时,发现43号元素的一位重要人物就要登场了。他就是意大利的物理学家埃米利奥·塞格雷。
1936年,年轻的塞格雷来到美国伯克利国家实验室访问学习,他很快被欧内斯特·劳伦斯发明的回旋加速器所吸引。回旋加速器中的一些部件在经过粒子轰击后,呈现出放射。这一现象引起了塞格雷的很大兴趣,于是他向劳伦斯表示希望能得到一些回旋加速器的废弃部件。
1937年1月6号,已经返回意大利巴勒莫大学的他,收到了来自伯克利的一张圣诞贺卡和一些用作回旋加速器偏向板的钼箔。这些钼箔在经受氘核(含有一个质子一个中子的氢同位素)轰击后,呈现出放射。
或许塞格雷并没有立刻意识到这是一份十分珍贵的圣诞礼物,钼箔被放置了近一个月,直到1月底,他才开始着手分析。 那些寿命很短的放射同位素经过一个月的时间应该早已衰变殆尽,但这片钼箔的放射依旧保持着。
塞格雷感觉到这些钼箔的不同寻常,他想到了第43号元素。 但由于本身是物理学家,化学分析并非他的专长,所以他求助于同在巴勒莫大学的矿物学家佩列尔。塞格雷深刻的洞察力与佩列尔精湛的实验技术相结合,最终两人从钼箔上分离出很少量化学特和铼相似,但同时又具有放射的未知元素。他们断言,这只可能是第43号元素,来源于氘对钼原子核的轰击。
钼原子核受氘核攻击后,生成第43号元素。
该发现不仅填补了元素周期表长期以来的空缺,而且开启了人类制造未知元素的先河,可谓意义重大。 然而,他们并没有急于宣布“首次发现”,而是先联系了之前宣称发现43号元素的诺达克等人,希望能对比新元素的X-射线光谱。 但诺达克的回复很让人失望:多年前的原图已经丢失了!所以,塞格雷和佩列尔作为第43号元素的真正发现者,实乃当之无愧。
塞德雷和佩列尔 图源:Wikipedia
又到了给新元素命名的时候。回顾之前的几次“发现”—— “日本素”、“马祖里”以及“ 莱茵河”,这些命名无不体现了20世纪初高涨的民族主义思潮对科学界的影响。
这一次,校方希望基于巴勒莫的拉丁文将这种元素取名为“Panormium”。 而在法西斯主义横行的意大利,更有激进分子提议将这种元素命名为“Fascism”, 但塞格雷并没有理睬这些建议。
另一方面,“元素”的本义是最基本的物质组成,所以对于人造出来的物质能否称为“元素”,当时科学界也出现了争议,以致于43号因为错误的发现有了很多假名; 但真正被发现后,却多年没有确定的名称。
第二次世界大战的爆发,极大激发了人们探究人造元素核放射元素的热情。等到战争结束,人造元素与天然元素在周期表中的同等地位已经被科学界充分认可。
1947年,佩里埃和塞格雷终于被邀请来命名他们已经10岁的“新元素”。 在一篇豆腐块大小的论文中,他们没有选择地名、国名、人名……而是取希腊语“人造”之意,将43号元素正式命名为“Techneitium”,元素符号Tc。
图源:Nature volume 159, page24(1947)
06
医学成像的主力
正如马陶赫规则所预测的,锝(Techneitium)有没有稳定的同位素,其中即便是半衰期(放射物质减少到初始一半时所消耗的时间)长达420万年的锝-98,相比于地球40多亿年漫长演化史也十分短暂。
所以,地球形成之初如果存在锝元素,也早已衰变殆尽,这是人们长期寻找43号元素而不可得的缘故。不过,在1952年,有人在寿命超过十亿年的恒星中发现了锝-98,这让人们认识到恒星是可以不断制造重元素的。
锝的同位素(isotope)和对应的半衰期(Half-life)
值得一提是,锝目前最重要的用途,并不是来自它较稳定的同位素,而是半衰期只有6个小时的锝-99m(Tc)。 这里的m代表原子核处于激发态,不稳定。含有锝-99m的药物进入体内后,衰变释放出的γ辐射就会被置于患者体外的γ摄影机探测到,从而生成高分辨的医学诊断图像。
锝-99m在临床检测中具有许多特殊的优势。比如其衰变过程只产生的γ射线,能量适中而穿透力强。 同时,6小时的半衰期也非常的适宜,可以在方便成像的同时最大程度减少放射对人体的伤害。因此,锝-99m是目前公认的最优良的放射显像剂。
由于锝-99m的半衰期只有6小时,无法长时间保存。目前的主要制取方法是用核反应堆处理高浓缩铀,生成放射同位素钼-99,随后运往各医疗机构。钼-99会衰变成锝-99m,用于造影检查。
锝[99mTc]亚甲基二膦酸盐注射液。 图源:http://www.dcb-group.com/cpzs/jydb/
07
超越百万年的陪伴
让我们再把话题回到锝的发现者塞格雷。 在发现43号元素之后,塞格雷于1938年的暑假再次来到美国,他希望借此行研究钼靶上那些半衰期较短的同位素。 然而,就在1938年, 意大利以墨索里尼为首的法西斯通过了反犹太法,禁止犹太人在大学任职。
作为一个犹太人,塞格雷不得不选择留在美国,以躲避迫害和即将爆发的战争。 在伯克利辐射实验室,劳伦斯为他提供了一份研究助理的工作,考虑到塞格雷无法回国又急需工作的尴尬处境,他开出的月薪只有116美元(约合当前2165美元)。 这对于聘用一位发现过新元素的人来讲,实属廉价用工。
低工资并没有影响塞格雷对科研工作的热情。 在二战期间,他和诸多核物理界的精英一起参与了研制原子弹的“曼哈顿计划”,并在研制过程中又发现了几种新的放射同位素。
1939年在伯克利的一张合影。 从左至右:罗伯特·奥本海默(被誉为“原子弹之父”), 塞格雷和吴健雄(传奇华裔女科学家)。 图源:参考文献12
相比于塞格雷在美国的科研成功,仍留在意大利的塞格雷父母却十分不幸。 他们因为犹太人身份,在战乱动荡中东躲西藏。1943年秋,塞格雷的母亲落入了纳粹手中,从此杳无音信。 一年后,父亲也撒手人寰。
直到1947年的夏天,塞格雷才回到了阔别九年的意大利巴勒莫。 面对曾经朝思慕想,却早已物是人非的家乡,塞格雷痛心不已。
在父亲的墓前,他撒下了少量的锝粉。 这些锝粉的放射微弱,但可以持续百万年之久。相比于地球的演化,这十分短暂; 但如果用人的寿命来衡量,却又格外漫长。或许,塞格雷希望将锝微弱但持久的衰变,化作自己绵长悠远的思念,久远地陪伴在父亲的身边。
参考文献: (滑动可查看更多)
1. Philip J. Stewart, Mendeleev’s predictions: success and failure. Found Chem. 2019,21.3–9
2. J. S. Howe, Recent Work in Inorganic Chemistry. Journal of the American Chemical Society. 1909, 31 (12): 1284–1305. doi:10.1021/ja01942a006
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