不一样的元素故事：安静“锫”伴 |《自然-化学》专栏

原文作者：安德里亚斯·特拉贝辛格（Andreas Trabesinger），瑞士科学作家

特拉贝辛格描述了第二次世界大战后发现的第一个新元素。锫在进入元素周期表后过着平静的生活，直到其作为生产超重元素的原子靶。

如果对事物的称呼是逻辑上可传递的，那么我们或许可以认为第97号元素是以一位爱尔兰主教乔治·贝克莱（George Berkeley）命名的。他的哲学信仰是“物质是不存在的”。显然，锫元素与非物质论者乔治·贝克莱无关，它的命名源于美丽的加州伯克利市，1949年12月，元素锫在那里被首次合成。第97号元素以城市命名的方式“与同族的元素铽类似[...]铽的名字来源于瑞典的伊特比，在那里人们首次发现了稀土矿物”[1]。

这对这座城市来说是个巨大的荣誉吗？据报道，当时的伯克利市长在接到这个喜讯时表现得“毫无兴趣”[2]。事实上，这座城市有充分的理由感到骄傲。锫已经是位于这里的加利福尼亚大学辐射实验室（后改名为劳伦斯伯克利国家实验室）发现的第7个新元素。到了1974年，又有9个元素被发现。

虽然这些元素的发现包含了很多人的努力，但其中一个人的贡献尤为突出：格伦·西博格（Glenn Seaborg）。他对曼哈顿计划也有贡献，并在第一次合成钚时发挥了核心作用。钚的化学分离方法对超铀元素的发现起了至关重要的作用。二战期间，第95号元素（镅）和第96号元素（锔）就被合成了，但合成接下来的新元素十分不易。

合成第97号元素的工作在1945年的圣诞节前后开始，但可用于辐照的靶材料的稀缺和它们的强放射性使推进工作变得艰难。尽管如此，西博格在当时提出的锕系元素的概念（假定第89-103号元素构成了同一个系列，是镧系元素的镜像）是一个很有用的主题。1949年底，以西博格为核心、由艾伯特·吉奥索（Albert Ghiorso）和长期的合作者、学生时代的朋友斯坦利·汤普森（Stanley Thompson）等人所组成的团队，通过使用氦离子轰击镅-241，终于成功地得到了痕量锫-243。f区的新元素的发现过程十分枯燥，所以汤普森和吉奥索最初建议锫的化学符号为“Bm”，以使人想起“懒汉”（bum）——“因为它是那么不愿意被发现，以致于我们花了这么久的时间才识别出它”[2]。不过最终还是采用了“Bk”这个符号。

自从被识别以来，锫基本上过着平静的生活。虽然这个元素还没被发现有实际用途，但核爆炸和核反应堆中能够产生锫。因而，理解它的化学性质有着重要的意义，尤其是对核废料管理而言。不过，研究锫仍然是一个挑战。只有一种同位素——锫-249可以被大量获得，其半衰期为330天。

很早期的示踪实验3表明，锫有稳定的+ III和+IV氧化态，但过去几年才开始了更进一步的研究。2016年，它的第一个单晶结构被制得[4]；同时发现，Bk（III）化合物的自旋轨道耦合导致其第一激发态和基态混合。这就产生了在镧系元素类似物（包括铽）中不存在的意料之外的电子性质。在更新的报道中[5]，实验和计算相结合的一些研究显示，+III和+IV氧化态的锫在温和的水溶液中也可稳定存在，这指明了一条新的将它与其他镧系和锕系元素分离的途径。

虽然不会得到伯克利主教的赞同，但锫的主要用途显然仍是十分物质而非精神的：作为其他超铀元素和超重元素合成中的靶原子。为了制备第117号元素，美国橡树岭国家实验室要耗费一年多的时间来制备锫-249样品[6]。随后样品被运往俄罗斯的杜布纳和德国的达姆施塔特，在那里被钙-48轰击。在这些实验中使用的锫靶对第117号元素（Ts）的合成是如此重要，以至于它的名字——Tennessine——参考了锫靶的生产地，而不是元素的合成地。