化學的填字遊戲？ 蔡蘊明 國立臺灣大學化學系ymtsai@ntu.edu.tw n  前言 國際純粹及應用化學聯合會（International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC）與國際純粹及應用物理聯合會（International Union of Pure and Applied Physics, IUPAP）在去年（2015）末宣佈，已經成功的證實四個原子序數為113，115，117，和118的新元素之存在，因此化學元素週期表的第七行（或第七週期）正式宣告填滿，如圖一所示。 圖一：化學元素週期表第七週期宣告填滿 （圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Transuranium_element） 週期表向來是與化學緊密連結的圖騰，此消息一出，讓化學難得的在各大報章上博取了不少的版面，但激情過後，我們要問，這對化學到底有何影響？化學追求的會是一個像填字一般的遊戲嗎？這種淪落於膚淺的認知不是化學的專利，君不見民眾對生物的認知好像也只是基因密碼的破解，對物理的認知好像只是基本粒子的追求，何其一般。因此，站在一個化學人的立場，讓我們來探索一下這個領域真正在追求的是什麼。 n  簡介 為了方便理解本文，先對核化學的常見表達方式做簡單的說明。化學家會在元素符號的左下角註明其原子序，亦即該元素核內質子的數目，符號的左上角則註明其核內質子與中子合計的數目，稱為質量數。例如：紀念科學家波爾的元素bohrium（Bh, ），以Bh為其元素符號，Bh的一個同位素可用  表示，意指其原子序數為107，核中除了107個質子外，還有155個中子（同位素係指二核種具有相同的質子數但不同的中子數），質子與中子數目之合就是質量數。另請注意，在討論核的變化時，通常不會註明核外的電子數目以及是何種化學型態（化合物）。 n  融合 通常在鈾元素（原子序數為92）之後的元素，稱為超鈾元素，大都是透過人工合成的，為不穩定的並具放射性，會衰變成其它核種，每一個特定的核種會具有其獨特的衰變方式，一步步衰變至一個穩定的元素，這一系列的衰變稱為衰變鏈（decay chain）。 第一個超鈾元素是在1940年在美國加州大學柏克萊分校的兩位物理學家Edwin Mattison McMillan與Philip Hauge Abelson所製造的，他們以中子（）撞擊氧化鈾（鈾238）得到鈾-239，如式[1]所示，而鈾239接著衰變成為錼（neptunium-239）並釋放出beta-射線（），如式[2]所示。  +   à     [1]  à  +     [2] 在錼衰變的過程中，核內中子釋放出帶負電的電子而轉變成帶正電的質子，因此原子序數增一而質量數不變。 以上的合成方法是透過不帶電的中子撞擊核，這種融合較為容易，而許多超鈾元素是經過核融合來製備的，也就是以一個核去撞擊另一個核，但由於質子帶正電，因此核具正電，使得核融合因為正電的相斥而非常困難，需要非常高的能量，基本上是透過線性加速器或環形加速器將某離子加速，以極高的能量撞擊塗佈另一核種的靶來引發核融合。例如原子序為114的鈇（flerovium；元素符號為Fl），是在1999年透過鈣-48（）撞擊鈽-244和242（, ）的靶所得到的，其中質量數289的同位素（）最穩定，其半衰期為2.7秒。在此核反應中，鈣的原子序（20）加上鈽的原子序（94）就等於鈇的原子序（114）。 若是以較輕的核種為加速的離子去撞擊重核種的靶，得到的核融合產物會以較高的能量狀態存在，這稱為熱融合（hot fusion）。因為融合產物處於高能狀態，很容易進行核分裂產生原子序小的核種，因此使得熱融合只能合成到原子序106者為止。但後來發現若用較重之核種的離子作為撞擊者（例如鈣），撞出的融合產物會處於較低的能量狀態，被稱為冷融合（cold fusion）。 這屬於高能物理的研究領域，概念上好像很簡單，而喜歡看科幻電影的讀者可能注意到「鋼鐵人」影片中，主角天才科學家史塔克為了尋找強大能源，認為需要一種新的元素，是而一天之內架起一套加速器，三兩下就製造出了一個了不得的新元素，放在胸前以供駕馭那套鋼鐵服裝。但在現實的層次，要建立一部加速器是需要億級以上的經費（這當然難不倒史塔克），更要花上數年的時間來建造，每年至少上千萬的經費來維護，能夠運轉之後必須耐心的打靶，撞個十天半月才能得到數“顆”新的核種並不令人意外，但要確認是否撞出新的元素還需要很漫長的時間去解讀分析收集所得的資料，整個過程絕非科幻電影所描述的那般神奇，科學家需具有的耐心和毅力在這個領域彰顯無疑，更不用說這些超鈾元素都是具有放射性的，處理時要極度的小心，要能放在心窩還能在天空飛翔戰鬥，根本是神話了！ 實際上，現今有財力和能力執行核融合實驗的地方屈指可數，其中最著名者包括位於蘇俄Dubna（杜布納）的Joint Institute […]