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第36章 物质结构元素周期律(8)

100多年后,英国物理学家瑞利(RayleighJ·W·S,1842—1919年)在研究氮气时发现,从氮的化合物中分离出来的氮气每升重1.2508g,而从空气中分离出来的氮气在相同情况下每升重1.2572g,这0.0064g的微小差别引起了瑞利的注意。他与化学家拉姆赛合作,把空气中的氮气和氧气除去,用光谱分析鉴定剩余气体,终于在1894年发现了氩。由于氩和许多试剂都不发生反应,极不活泼,故命名为Argon。在希腊文中是“懒惰”的意思,中译为氩,元素符号是Ar。

2.氦He

早在1868年,法国天文学家简森(JanssenP·J·C,1824—1907年)在观察日全食时,就曾在太阳光谱中观察到一条黄线D3,这和早已知道的钠光谱的D1和D2两条线不相同。同时,英国天文学家洛克耶尔(LockyerJ·N,1836—1920)也观测到这条黄线D3。当时天文学家认为,这条线只有太阳才有,并且还认为是一种金属元素。所以洛克耶尔把这个元素取名为Helium(这是由两个字拼起来的,helio在希腊文是太阳神的意思,后缀-ium指的金属元素)

1895年,拉姆赛和另一位英国化学家特拉弗斯(TraversM·W,1872—1961年)合作,在用硫酸处理沥青铀矿时,产生一种不活泼的气体,用光谱鉴定为氦,并证实了氦元素也是一种稀有气体。这种元素在地球上也有,并且是非金属元素。

3.氪Kr、氖Ne、氙Xe

由于氦和氩的性质非常相近,而且它们与周期系中已被发现的其他元素在性质上有很大差异,因此拉姆赛根据周期系的规律性,推测氦和氩可能是另一族元素,并且他们之间一定有一个与其性质相似的家族。果然,1898年5月30日,拉姆赛和英国化学家特拉弗斯在大量液态空气蒸发后的残余物中,用光谱分析首先发现了比氩重的氪,他们把它命名为Krypton(即“隐藏”之意。它隐藏于空气中多年才被发现)。

1898年6月,拉姆赛和特拉弗斯在蒸发液态氩时收集了最先逸出的气体,用光谱分析发出了比氩轻的氖。他们把它命名为Neon(Neon源自希腊词neos,意为“新的”,即从空气中发现的新气体。中译名为氖,也就是现在霓虹灯里的气体)。

1898年7月12日,拉姆赛和特拉弗斯在分馏液态空气、制得了氪和氖后,又把氪反复地分次萃取,从其中又分出一种质量比氪更重的新气体,他们把它命名为Xenon(源自希腊文Xenos,意为“陌生的”,即人们所生疏的气体。中译名为氙。它在空气中的含量极少,仅占总体积的一亿分之八)。

4.氡Rn

氡是一种具有天然放射性的稀有气体,它是镭、钍和锕等放射性元素蜕变过程中的产物,因此,只有这些元素发现后才有可能发现氡。

1899年,英国物理学家欧文斯(OwensRB,1842—1936)和卢瑟福在研究钍的放射性时发现钍射气,即氡—220。1900年,德国人道恩在研究镭的放射性时发现镭射气,即氡—219。直到1908年,拉姆赛确定镭射气是一种新元素,和已发现的其他稀有气体一样,是一种化学惰性的稀有气体元素。其他两种气体,是它的同位素。在1923年国际化学会议上命名这种新元素为Radon,中文音译成氡。

至此,氦、氖、氩、氪、氙、氡六种稀有气体作为一族全被发现了。它们占元素周期表零族的位置。这个位置相当特殊,在它前面的是电负性最强的非金属元素,在它后面是电负性最小的最强金属元素。而其本身则是电离最大的一族元素。由于这六种气体元素的化学惰性,因此很久以来它们被称为“惰性气体元素”,直到Xe被PtF6氧化后,“惰性气体”也随之改名为“稀有气体”。

进入基本粒子的世界

中子发现后,人们认识到各种原子都是由电子、质子和中子组成,于是把这3种粒子和光子称为基本粒子。随着物理实验技术的提高,人们很快发现更多的基本粒子。

1932年,美国物理学家夸克饶夫特和爱尔兰物理学家瓦尔顿建成倍压加速器,用倍压线路产生的高电压加速质子之后用质子轰击锂核,使之分裂成两个α粒子。这是历史上第一次用人工加速粒子实现的核反应,他们因此获1951年诺贝尔物理学奖。

1933年,美国狄拉克关于正电子存在的预言被证实,1936年安德森因此获得诺贝尔物理学奖。1955年塞格雷和钱伯林利用高能加速器发现了反质子,他们因此获1959年物理奖。第二年又有人发现了反质子。1959年王淦昌等人发现了反西格玛负超子。这些都为反物质的存在提供了证据。莱因斯等利用大型反应堆,经过3年的努力,终于在1956年直接探测到铀裂变过程中所产生的反中微子。他因此获1995年物理学奖。到1968年,人们才探测到了来自太阳的中微子。1947年鲍威尔利用自己发明的照相乳胶技术在宇宙线中找到了1934年汤川秀树提出的介子场理论中预言的介子。汤川秀树获1949年物理奖,鲍威尔获1950年物理奖。到50年代末,基本粒子的数目已达30种。这些粒子绝大多数是从宇宙射线中发现的。自1951年费米首次发现共振态粒子以来,至80年代已发现的共振态粒子达300多种。

基本粒子按照其质量、寿命、自旋以及参与的相互作用等性质,可分为轻子、强子(重子、介子),以及相互作用的传递子等。这些基本粒子所组成的基本粒子的世界中存在着4种相互作用,即引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。引力作用在微观世界中太弱因此可以不考虑。

温伯格和萨拉姆等以夸克模型为基础,完成了描述电磁相互作用和弱相互作用的弱电统一理论。他们因此而获1979年诺贝尔物理学奖。目前科学家们想把强相互作用和引力相互作用也统一进来,但困难比较大,目前最有希望的理论是超弦理论。

夸克模型

基本粒子如此之多,难道它们真的都是最基本、不可分的吗?近40年来大量实验事实表明至少强子是有内部结构的。1964年美国物理学家盖尔曼提出了夸克模型,认为介子是由夸克和反夸克所组成,重子是由三个夸克组成。他因此获1969年物理奖。1990年弗里德曼、肯德尔和泰勒因在粒子物理学夸克模型发展中的先驱性工作而获物理奖。1965年,费曼、施温格、朝永振一郎因在量子电动力学重整化和计算方法的贡献,对基本粒子物理学产生深远影响而获物理奖。温伯格和萨拉姆等以夸克模型为基础,完成了描述电磁相互作用和弱相互作用的弱电统一理论。他们因此而获1979年物理奖。目前统一场论的发展正向着把强相互作用统一起来的大统一理论和把引力统一进来的超统一理论前进。并且这种有关小宇宙的理论与大宇宙研究的结合,正在推进着宇宙学的进展。

原子弹

原子弹,又称裂变弹。原子弹的威力通常为几百至几万吨级TNT当量,有巨大的杀伤破坏力。它可由不同的运载工具携载而成为核导弹、核航空炸弹、核地雷或核炮弹等,或用作氢弹中的初级(或称扳机),为点燃轻核引起热核聚变反应提供必需的能量。

原子弹主要由引爆控制系统、高能炸药、反射层、由核装料组成的核部件、中子源和弹壳等部件组成。引爆控制系统用来起爆高能炸药;高能炸药是推动、压缩反射层和核部件的能源;反射层由铍或铀238构成。铀238不仅能反射中子,而且密度较大,可以减缓核装料在释放能量过程中的膨胀,使链式反应维持较长的时间,从而能提高原子弹的爆炸威力。核装料主要是铀235或钚239。

为了触发链式反应,必须有中子源提供“点火”中子。核爆炸装置的中子源可采用:氘氚反应中子源、钋210铍源、钚238原子弹爆炸铍源和锎252自发裂变源等。原子弹爆炸产生的高温高压以及各种核反应产生的中子、γ射线和裂变碎片,最终形成冲击波、光辐射、早期核辐射、放射性沾染和电磁脉冲等杀伤破坏因素。原子弹是科学技术的最新成果迅速应用到军事上的一个突出例子。1939年10月,美国政府决定研制原子弹,1945年造出了3颗。一颗用于试验,两颗投在日本。其他国家爆炸第一颗原子弹的时间是:前苏联——1949年8月29日;英国——1952年10月3日;法国——1960年2月13日;中国——1964年10月16日;印度——1974年5月18日。中国第一次核试验以塔爆方式进行,用的是“内爆法”铀弹。1965年5月14日第二次核试验时,核装置用飞机空投。1966年10月27日第四次核试验时,核弹头由导弹运载。

点“石”成金——从梦幻到现实

金,俗称黄金,在化学元素家族中“排行”79,密度19.3克/立方厘米(20℃),熔点1063℃,沸点2600℃,与银、铜、铁、锡等同是历史上最早发现的元素,但黄金以它美丽的光泽,优异的性能和稀缺的资源却被人类视为“尊贵”之物,特别是几千年来用它作为货币(现今仍是国际上公认的硬通货)和饰品,备受人们的青睐。黄金的拥有量一直是衡量一个国家、一个民族、一个社会集团、一个家庭物质财富的标志,佩戴黄金首饰古往今来是生活中的一种时髦。也正因为如此,人类在黄金舞台上曾上演了无数可悲可叹的闹剧。

从古代开始,人类就从淘金者的艰难与黄金的价值中,梦想着用人工方法制造黄金。在古希腊神话中,传说有一位叫做梅达斯的国王得到了一种神奇的东西,任何其他物品一经与此接触就立即转变成黄金。这就是连小孩子都知道的“点石成金”的故事。当然,这仅是一种美好的愿望,在我国古代,有许多炼丹家们曾从事炼金术的研究,他们企图通过化学方法将那些随处可见的贱金属变成黄金,但最终以徒劳而告终。

从炼金术士的黄金梦破灭到20世纪初这一千多年的时间里,人们逐渐地确信,黄金不可能人工制造,它只能从自然界里获取。然而,20世纪初,元素放射性的相继发现,以及原子内部结构的揭秘,打破了这一观念。科学家认为人工制造黄金是完全有可能的。

我们知道各种元素的差别在于它们的原子中质子、中子和电子的数目不同,特别是原子中质子的数目不同。如果用人工的方法能够改变原子核中质子的数目,就可以把一种元素变成另一种元素。这就是说,只要能从序号大于79的某种元素的原子中取掉一些质子,或给序号小于79的元素的原子中增添一些质子,使它们的质子数为79的话,就可以把这些非79号元素转变成了79号元素金。但是给原子增减质子并不像给一个容器装取豆子那样的简单。原子核十分的“坚固”,要破坏它需要十分巨大的能量。据计算,从原子核内取出一个质子所需的能量比把一个分子破裂成原子所需要的能量要高出一百万倍。因而,在化学反应过程中,原子核总是“安然无恙”,利用任何化学手段及普通的物理方法(比如升温)只能导致原子的重新组合或分子破裂成原子,这就是炼金术士制造不出黄金的根本原因。要实现原子间的嬗变,必须在特殊装置中,利用核反应来完成。

现代科学技术已证明,在巨型粒子加速器中,用超高速的质子、中子、氘核、α粒子等“粒子炮弹”去轰击原子,原子可被击破,其后,质子、中子和电子便可以重新组合成新的原子。

不出科学家所料,1941年,人类数千年来的“人造黄金”梦终于变成了现实。美国哈佛大学的班布里奇博士及其助手,利用“慢中子技术”成功地将比金原子序数大1的汞变成了金。1980年,美国劳伦斯伯克利研究所的研究人员、又一次把83号元素铋转变成了金。他们把铋置入高能加速器中,用近乎光速的粒子去轰击铋的原子核,结果4个质子破核而出,剩下了79个质子,铋原子的结构便发生了相应的突变,一跃而成为金原子。用类似的方法,他们把82号元素铅也变成了金。

遗憾的是,黄金目前只能用这样的人工方法制造,且只能在极少数拥有高科技的实验室里进行。可以想象,用此法来获得黄金无疑是“得不偿失”。但人类能人工制造黄金这件事本身比金子值钱得多。我们相信,随着高科技的发展,总有一天人们能够建立一个经济上高度可行的系统,使黄金能由廉价金属方便地制造出来,到那时,或许黄金会由“贵族”沦为“庶民”了。

集体“发疯”之谜

四十多年前,日本有个村庄发生了一起可怕的集体“发疯”事件,有16个村民突然一起“发疯”了。这些“疯子”一会儿哭哭啼啼,一会儿又哈哈大笑;发作时两手乱摇,颤抖不止,而下肢发硬强直,如此反复发作,直至“疯死”。这起集体“发疯”事件经多方研究调查,发现这些人喝的是同一口水井中的水,考察水井,又在旁边挖出了大量废旧、破烂的干电池。原来这是水井的水受干电池中某些有害成分污染而造成的。据环境科学研究表明,废旧干电池中的锌、二氧化锰等成分长期埋在地下,会与土壤中化学物质发生作用,生成锌锰酸式盐。它渗入地下,极易污染饮用水,而这一群村民正是长期饮用这种水,造成蓄积性中毒,才有上述“发疯”症状。

干电池在制造过程中还使用一定量的汞,其中含汞最多的锌汞电池约占电池重量的20%~30%,碱性干电池约为13%,普通锌锰电池含汞较少。汞对人体是一种有害蓄积性中毒物质,极易污染环境,特别是水质,造成种种危害。

据统计,我国每年生产干电池50亿只,其中锌汞电池和碱性电池1亿只,每年电池用汞100吨。由于人们用完电池随意乱丢,时间一长,日晒雨淋或埋入地下,往往污染环境,造成不幸事件,所以废旧电池不可乱丢。

白铁桶不能贮存酸性食品

白铁桶就是镀锌的铁皮桶。锌是一种白色柔软而有光泽的金属,它易溶于酸性溶液。如在白铁桶或其他镀锌器皿内配制或贮存酸性食品、饮料,锌即以有毒的有机酸盐的形式溶入食品中,人食后有中毒的危险。因此,使用镀锌容器时,切勿用它来盛装酸性菜肴、汤水、酒类、果汁、牛奶等饮料。

元素周期表有什么用

一是可以据此有计划、有目的地去探寻新元素,既然元素是按原子量的大小有规律地排列,那么,两个原子量悬殊的元素之间,一定有未被发现的元素,门捷列夫据此预言了类硼、类铝、类硅、类锆4个新元素的存在,不久,预言得到证实。以后,别的科学家又发现了镓、钪、锗等元素。迄今,人们发现的新元素已经远远超过上个世纪的数量。归根到底,都得利于门氏的元素周期表。

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