作者：周江（北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授）

　　不久前，一個(gè)多國聯(lián)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(gè)質(zhì)子和20個(gè)中子）。它的發(fā)現(xiàn)之所以這么重要，是因?yàn)榘凑绽碚擃A(yù)測，氧28極可能是穩(wěn)定的，但實(shí)際上它只存在非常短暫的時(shí)間，就迅速衰變分解了。這意味著，人們之前對于原子模型的假設(shè)和規(guī)律的認(rèn)知存在一定偏差。同時(shí)，也為進(jìn)一步了解元素及其同位素的形成、原子結(jié)構(gòu)模型、強(qiáng)弱相互作用等重大基本問題提供了新的思路和挑戰(zhàn)，有可能會引發(fā)相關(guān)領(lǐng)域的理論革新。

　　發(fā)現(xiàn)原子核里的微觀世界，分析物質(zhì)的基本組成

　　關(guān)于物質(zhì)的基本組成問題，早在數(shù)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(xué)說，都是人們對于世界本質(zhì)認(rèn)知的代表理論。公元前5世紀(jì)的古希臘學(xué)者德謨克里特認(rèn)為，任何事物都是由一種不可再分的微粒，也就是原子所構(gòu)成的。《墨子·經(jīng)下》中“非半弗斫，則不動，說在端”也指出，物質(zhì)不斷分割到無法再分時(shí)的物質(zhì)叫作“端”。這些都是原子理論的雛形，直到2000多年后的20世紀(jì)初，人們才搞清楚原子的結(jié)構(gòu)。

　　人們對原子的認(rèn)識伴隨著對元素的研究不斷發(fā)展。18世紀(jì)末，卡文迪許、舍勒、普里斯特利、拉瓦錫相繼發(fā)現(xiàn)并完善氧和氫元素的性質(zhì)，19世紀(jì)成為元素研究的高峰期，一個(gè)又一個(gè)元素的發(fā)現(xiàn)讓人們進(jìn)一步認(rèn)識物質(zhì)的組成，并開始總結(jié)一些規(guī)律。

　　1803年，英國科學(xué)家道爾頓提出了物質(zhì)（元素）都是由不可分的微?！訕?gòu)成的，每種元素的原子都有自己特殊的質(zhì)量——原子量。1869年，俄國科學(xué)家門捷列夫基于元素質(zhì)量與其化學(xué)性質(zhì)的周期性變化提出了大名鼎鼎的元素周期表，十分準(zhǔn)確地預(yù)測了一些未知元素的性質(zhì)。直到此時(shí)，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(xué)家湯姆生通過測定陰極射線在電磁場下的運(yùn)動速度和偏轉(zhuǎn)角度，計(jì)算出這種帶負(fù)電的陰極射線粒子質(zhì)量僅為氫元素的約兩千分之一，這就是我們現(xiàn)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(zhàn)，湯姆生據(jù)此提出了帶正電的原子表面鑲嵌著電子的“葡萄干布丁”模型。1911年，湯姆生的學(xué)生盧瑟福做了一個(gè)著名的α粒子散射實(shí)驗(yàn)，用帶正電荷的α粒子（即氦4原子核）轟擊金箔，發(fā)現(xiàn)大部分α粒子直接穿透了金箔，同時(shí)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(nèi)部結(jié)構(gòu)并不是均勻分布，而是集中在一個(gè)非常小的范圍內(nèi)，提出了電子繞著帶正電的原子核運(yùn)動的“行星結(jié)構(gòu)”模型。

　　1919年，盧瑟福繼續(xù)用α粒子轟擊氮?dú)狻＿^程中，他發(fā)現(xiàn)氮釋放出一種與氫原子核質(zhì)量和電荷一致的粒子，將其命名為質(zhì)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(yīng)。不過，從原子核的電荷推測出的質(zhì)子數(shù)與大部分原子的質(zhì)量卻對不上——大部分原子的質(zhì)量都比其中的質(zhì)子加電子重很多。與此同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)一些具有相同質(zhì)子數(shù)的原子卻具有不同的質(zhì)量，因此盧瑟福猜測原子核內(nèi)部還有一種不帶電的中性粒子。1932年，盧瑟福的學(xué)生查德威克用α粒子轟擊鈹，產(chǎn)生了一種不帶電的射線，再用此射線轟擊氫氣、氮?dú)?，結(jié)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(fā)現(xiàn)這種未知射線的質(zhì)量和質(zhì)子接近，確證了中子的存在。至此，由質(zhì)子、中子、電子組成的經(jīng)典原子結(jié)構(gòu)模型建立起來，盧瑟福也被譽(yù)為“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(nèi)部結(jié)構(gòu)的過程時(shí)，科學(xué)家們也觀察到了一些放射性元素衰變的現(xiàn)象和規(guī)律，盧瑟福和英國化學(xué)家索迪在研究釷、鐳、錒等放射性元素后，于1903年提出了元素嬗變理論：放射性屬于原子自身變化，放射出α、β、γ射線后，變成另一種原子，直至穩(wěn)定為止。其中α射線正是盧瑟福在發(fā)現(xiàn)原子核和質(zhì)子、中子實(shí)驗(yàn)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(shí)期從鈾、釷等放射性元素中不斷分離出一個(gè)個(gè)“新”放射性元素，多到元素周期表中沒有足夠的空位放進(jìn)這些“新”元素，然而這些元素中，有不少元素化學(xué)性質(zhì)卻是一致的。因此在整理這些數(shù)據(jù)后，索迪于1910年提出了著名的同位素假說：存在著不同原子量和放射性而其他物理化學(xué)性質(zhì)相同的化學(xué)元素變種，應(yīng)在元素周期表上占據(jù)同一個(gè)格子。

　　此后不久，人們就分別從鈾238和釷232得到鉛206和鉛208。1912年，湯姆生為了深入研究電子，改進(jìn)了帶有電場和磁場的儀器，讓氖原子核通過儀器，結(jié)果檢測板上出現(xiàn)了兩條軌跡。他將氖氣反復(fù)提純，結(jié)果依舊，說明存在兩種原子量的氖。這是穩(wěn)定同位素存在的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)證據(jù)，這臺分離氖同位素的儀器就是第一臺質(zhì)譜儀。后來他的學(xué)生阿斯頓改進(jìn)了質(zhì)譜儀的精度，進(jìn)一步檢測到氖確實(shí)具有兩種原子質(zhì)量的同位素氖20和氖22，此后陸續(xù)從其他71種元素中發(fā)現(xiàn)了200多種同位素。由于分辨率更高，阿斯頓借助質(zhì)譜儀得到了各個(gè)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，大致比例為3∶1，所以氯的原子量就是35.5。

　　而隨著中子的發(fā)現(xiàn)，原子內(nèi)部的秘密終于被揭開。同位素就是一種元素存在著質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的一系列原子。由于質(zhì)子數(shù)相同，所以同位素的電荷和電子數(shù)都相同，并具有相同的化學(xué)性質(zhì)；但由于中子數(shù)不同，同位素的原子質(zhì)量也就不同，原子核的穩(wěn)定性（放射性）也有所不同。迄今發(fā)現(xiàn)的118種元素中，穩(wěn)定同位素近300種，只有20多種元素未發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定的同位素，而放射性同位素多達(dá)3000多種，所有的元素都有放射性同位素。有意思的是，質(zhì)子數(shù)為偶數(shù)的元素比質(zhì)子數(shù)為奇數(shù)的元素有更多的穩(wěn)定同位素，通常不少于3個(gè)，而且大多數(shù)具有偶數(shù)個(gè)中子；而質(zhì)子數(shù)為奇數(shù)的元素，最多只有2個(gè)穩(wěn)定同位素，一般只有1個(gè)，而且也幾乎是偶數(shù)個(gè)中子。此外，隨著質(zhì)子數(shù)（原子序數(shù)）的增長，元素豐度急劇下降，這些規(guī)律與原子核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性具有什么樣的關(guān)聯(lián)，成為科學(xué)家們的下一個(gè)興趣點(diǎn)。

　　幻數(shù)和穩(wěn)定島，具有魔力的原子核

　　為了合理地解釋原子核內(nèi)部的多核子系統(tǒng)，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(zhì)子組成的密度極高且不可壓縮的液滴。后來德國科學(xué)家魏茨澤克和貝特在此模型基礎(chǔ)上發(fā)展了半經(jīng)驗(yàn)公式，來量化原子核結(jié)合能。運(yùn)用液滴模型能很好地解釋結(jié)合能、質(zhì)量公式以及原子核的裂變現(xiàn)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，然后分裂成兩個(gè)碎片并釋放能量。但是，液滴模型卻并不能解釋原子核性質(zhì)的周期性變化現(xiàn)象。

　　液滴模型公式得到的結(jié)合能與實(shí)驗(yàn)值之間存在一些偏差，尤其是當(dāng)質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)為2，8，20，28，50，82，126時(shí)，原子核具有特別大的結(jié)合能（穩(wěn)定性）。觀察到這些現(xiàn)象后，美國科學(xué)家梅耶提出了“幻數(shù)”（Magic Number）概念：當(dāng)質(zhì)子或中子數(shù)為幻數(shù)時(shí)，原子核比較穩(wěn)定；而當(dāng)兩者均為幻數(shù)時(shí)，原子核因具有雙倍的“魔力”而特別穩(wěn)定。像我們熟知的氦4（2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子）、氧16（8個(gè)質(zhì)子和8個(gè)中子）、鈣40（20個(gè)質(zhì)子和20個(gè)中子）、鉛208（82個(gè)質(zhì)子和126個(gè)中子），這幾個(gè)天然穩(wěn)定同位素都是這種雙幻數(shù)的原子核。

　　為了解釋幻數(shù)理論，梅耶和德國物理學(xué)家簡森在1949年各自獨(dú)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(nèi)部也有不同能級的殼層；質(zhì)子和中子并不是隨意排列的，而是從最低能級開始填充殼層，填滿后就會形成一個(gè)閉殼層；所有殼層都是閉殼層時(shí)，原子核具有特別的穩(wěn)定性。不難看出，殼層模型更好地解釋了原子核性質(zhì)的周期律和幻數(shù)的存在。一個(gè)很好的證據(jù)就是鈣48，它有20個(gè)質(zhì)子和28個(gè)中子，屬于雙幻數(shù)原子核，雖然其中子數(shù)比正常的鈣40多了8個(gè)，具有放射性，但依然非常穩(wěn)定，半衰期超過60億年！

　　由此，我們也就應(yīng)該明白為何科學(xué)家們?nèi)绱似诖?8的觀測。氧28的原子核中有8個(gè)質(zhì)子和20個(gè)中子，具備雙幻數(shù)的條件，是極可能穩(wěn)定的原子核，雖然實(shí)驗(yàn)結(jié)果并非預(yù)測的那樣，氧28在大約10-21秒內(nèi)就衰變成了4個(gè)中子和1個(gè)氧24原子。值得一提的是，在本次觀測氧28的實(shí)驗(yàn)中，富含中子的鈣48就是最初始的炮彈，用它轟擊鈹靶產(chǎn)生氟29后，再轟擊液氫靶，使氟29丟掉一個(gè)質(zhì)子，產(chǎn)生氧28。

　　在殼層模型基礎(chǔ)上，美國化學(xué)家西博格在20世紀(jì)60年代末提出了“穩(wěn)定島假說”。他將質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)作為坐標(biāo)系的x、y軸，原子核穩(wěn)定性作為z軸，可以觀察到各個(gè)穩(wěn)定同位素都大致處于一條“穩(wěn)定山脈”上，越接近幻數(shù)的同位素越穩(wěn)定；另一方面，當(dāng)質(zhì)子和中子數(shù)越高時(shí)，同位素越不穩(wěn)定，但仍然有可能在114號、120號、126號元素附近存在一個(gè)“穩(wěn)定島”，對應(yīng)的中子數(shù)為184左右。遺憾的是，這幾個(gè)預(yù)測可能穩(wěn)定的同位素還沒有合成觀測到，但是科學(xué)家們也在穩(wěn)定島理論指引下合成了一批新的元素，如元素周期表106號以后的元素，幾乎都是這樣發(fā)現(xiàn)的。

　　對于幻數(shù)和穩(wěn)定島理論，科學(xué)家們也有一些新的發(fā)現(xiàn)。如117號同位素衰變的產(chǎn)物鐒266顯示出11小時(shí)的半衰期，對如此重元素的原子來說是非常長的；它有103個(gè)質(zhì)子和163個(gè)中子，暗示了尚未發(fā)現(xiàn)的可能幻數(shù)。還有學(xué)者報(bào)道，6、14、16、30、32也可能是新的幻數(shù)。我國和其他國家科學(xué)家在2007年合作發(fā)現(xiàn)，108號元素[~符號~]270半衰期長達(dá)22秒，遠(yuǎn)超[~符號~]265（不到半毫秒），間接驗(yàn)證了模型和理論預(yù)言的質(zhì)子數(shù)108和中子數(shù)162也可能是幻數(shù)。

　　殼層模型成功預(yù)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(zhuǎn)動等規(guī)律，因此丹麥科學(xué)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(tǒng)一模型），綜合考慮原子核中單粒子運(yùn)動和集體運(yùn)動，結(jié)合了殼層模型和液滴模型來解釋兩者都無法單獨(dú)解釋的某些原子核的磁性和電學(xué)性質(zhì)。

　　應(yīng)用同位素，造福人類

　　科學(xué)家發(fā)現(xiàn)或合成的各類同位素有3000多種，究竟有什么用途呢？我們知道，大多數(shù)在自然界中天然存在的元素都存在一種或幾種穩(wěn)定的同位素，這種在自然界無處不在的特性使得同位素應(yīng)用具有普遍性，在地質(zhì)土壤、農(nóng)業(yè)食品、臨床藥物、生態(tài)環(huán)境等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。

　　首先，元素的同位素豐度比常常是固定的，但在自然界的多種物理、化學(xué)、生物作用下，又會在某一時(shí)期、某一地域產(chǎn)生小幅的波動，因此穩(wěn)定同位素保存著自然界一定的時(shí)空信息，對于研究特定物質(zhì)的溯源、轉(zhuǎn)化具有重要價(jià)值。比如氧同位素就可以提供關(guān)于古大氣、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(lǐng)域，常常使用碳13、氮15等同位素差異，對有機(jī)蔬菜、水果、植物油、葡萄酒、咖啡等進(jìn)行產(chǎn)地溯源或摻假鑒定。

　　其次，穩(wěn)定同位素氘、碳13、氮15、氧18等，可以作為示蹤劑來標(biāo)記化合物，配合質(zhì)譜、核磁共振、光譜等分析手段，來測定、追蹤化合物中某個(gè)或多個(gè)特定原子是否參與反應(yīng)，從而定性、定量地了解反應(yīng)的機(jī)理、途徑、位點(diǎn)等，在蛋白質(zhì)定量組學(xué)、代謝研究、環(huán)境分析、臨床研究等領(lǐng)域已經(jīng)成為高效率、高靈敏度的標(biāo)準(zhǔn)方法。特別是在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，因?yàn)闆]有放射性，穩(wěn)定同位素示蹤劑可以用于包括孕婦、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(wěn)定同位素的制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(xué)方式分離提取，進(jìn)而制備各類氘代試劑。氘代試劑也是核磁共振檢測使用的溶劑，并可用于對OLED面板進(jìn)行氘化處理，能顯著提升器件亮度和壽命。此外，與氘能發(fā)生核聚變反應(yīng)的氦3也是穩(wěn)定同位素，因?yàn)榫圩冞^程中不產(chǎn)生中子，所以放射性小，有望成為清潔、安全、高效的核燃料。

　　所有的元素都有放射性同位素，相對于穩(wěn)定同位素，放射性同位素具有一定的半衰期，通?？扇斯ぶ苽?。由于同位素的半衰期幾乎是恒定的，因此可以用來定年。比如地球的年齡就是根據(jù)巖石和隕石中的鈾元素和其衰變產(chǎn)物鉛元素進(jìn)行測定的，還有大家熟知的碳14斷代，就是通過檢測有機(jī)樣本中衰變剩余的碳14含量來確定樣品的大致年代。

　　由于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(nóng)業(yè)畜牧等領(lǐng)域進(jìn)行放射性示蹤，來研究物質(zhì)的遷移、轉(zhuǎn)化、殘留，是最具優(yōu)勢的應(yīng)用方向。還有工業(yè)上不少探傷、監(jiān)測設(shè)備，也是利用放射性同位素的射線作為發(fā)射源監(jiān)控的。另外，利用放射性同位素進(jìn)行輻照，也廣泛使用于食品滅菌消毒、農(nóng)業(yè)育種增產(chǎn)、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(jié)合生成的靶向治療核藥物成為新興的癌癥治療策略，北京大學(xué)劉志博團(tuán)隊(duì)基于成纖維細(xì)胞活化蛋白開發(fā)了一系列結(jié)合氟18、鉍213、鉛212等的核藥物，展現(xiàn)了顯著的腫瘤抑制作用，且毒副作用較低。

　　當(dāng)然，直到今天，我們對于原子核內(nèi)部的運(yùn)行機(jī)制還并未徹底了解清楚，現(xiàn)有的核物理和核化學(xué)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？周期律是否繼續(xù)？答案也許就在不遠(yuǎn)的未來。

　　《光明日報(bào)》（2023年09月21日 16版）