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【科普类】重水之谜
【科普类】重水之谜
www.dicp.ac.cn    发布时间:2011-07-05 10:28    栏目类别:征文展览

作者:焦述铭
(香港城市大学)

天一神水Vs重水

天一神水--毒性最烈的毒药。天池神水宫自水中提炼而成,神水宫门人称之“重水”。此毒无色无臭,无法试出异状,一滴的份量相当于三百桶水,常人服下一滴,立刻全身暴烈而死。妙僧无花利用神水宫弟子司徒静,盗出一瓶天一神水,毒死多名武林高手。
——古龙《楚留香传奇·铁血传奇》
在现实中,也有一种化学物质叫做重水,据说同样可以使人毙命,那么此重水与彼重水相比,谁的功力更强呢?
重量
重水与普通水一样,每个分子都是由两个氢原子和一个氧原子组成,区别在于两重水含有的氢原子不一样,重水的氢原子原子核里里比普通水的氢原子里多一个中子,重量也更大。一滴水中包含着无数的氢原子,一滴重水分量自然比一滴普通水大,但比起古龙先生笔下三百桶水的标准还是相距甚远,实际的重水重量只是普通水的1.1倍。不过如果用来杀人,重量似乎不是一个主要的考虑因素。
隐蔽性
真正的杀手使人察觉不到它的存在,杀人于无形之中。重水中的氢元素被称为氘,与普通水中氢原子互为同位素,是亲密的兄弟俩,这就使重水和普通水外观差异不大,在“无色无臭,无法试出异状”上,天一神水与重水打成了平手。
价格
楚留香里虽然没有说天一神水的价格几多,但估计一定是绝世之宝,独门秘方,价格不菲。实际中的重水也来之不易,自然水中重水的含量很低,需要用电解或化学交换法不断提纯,想得到一公斤高纯度重水,需要从一百吨普通水中沙里淘金,最后制成品价格要600-1000美元每公斤,不过相比于天一神水,可能还是要便宜许多。
毒性
最关键的,能否杀人于顷刻之间?实际的重水不能饮用,也会使植物、动物和人中毒,但是“效果”却不是很理想。由于氘和普通氢只是同位素,作为“近亲”的重水可以完成普通水的很多角色,人喝进去少量并无大碍,但是由于重量不同的氢原子对水分子化学键产生的微小影响,人体内的细胞分裂更新不能依靠重水、只能依靠普通水来进行,人长期只喝重水将严重影响新陈代谢。不过过程会很慢,据研究,人类如果喝含有少量重水的普通水,并不会出现异样,如果每天只喝重水,不喝普通水,体内含有的普通水会逐渐被重水替代,当上升到一定比例时,就会对健康产生影响,不过估计时间要至少一个星期。如果连续喝重水两个星期,人才有可能被毒死。据记载,1990年,加拿大莱普罗角核电站的一位员工对上司心怀不满,把核电站使用的重水倒进了咖啡饮水机里,有好几位员工喝了大量重水,但都安然无恙,事后因为其他原因这件事才败露。
如此看来,现实中的重水充其量只? 芩阕饕恢致远疽故浅粝阒械摹爸厮备屎献鏊布涠崦亩疽?墒枪适禄姑煌辏厮淙槐恢苯佑美瓷比说男Ч痪∪缛艘猓词呛细竦摹吧比税镄?”。
这要从原子弹说起,原子弹的巨大破坏力来源于核原料的原子核发生裂变所释放出的能量,实际上原子弹还可以分成铀弹和钚弹两种,铀弹用的是铀235,钚弹用的是钚239。不过这两种原料在自然界中含量都极少,在铀矿石中,含有的大部分成分都是无用的铀238(同氘和氢一样,铀238和铀235也是同位素),铀235只占不到1%,经过一番提炼后,铀矿石中的铀235含量会上升到3%至5%,这样的低纯度铀可以给商业核电站使用。不过此时,如果要想制造原子弹,有两个选择,第一,继续用离心机等方法提炼铀,获得纯度达到90%的高纯度铀235,制造铀弹;第二,建立反应堆设备,获得钚239,制造钚弹。两种方案各有优劣,如果选择第二种,重水就可以派上大用场了,核反应堆可以利用低纯度铀的核反应,但是为了避免发生爆炸,减缓反应速度,重水可以作为一种不错的减速剂,同时还可以帮助用铀238产生钚239,这样的重水反应堆既可以用于民用的核电站,也有可能为制造原子弹做准备。这就是为什么美国政府一听说伊朗、朝鲜要建“以和平目的发展核能为目的的”重水反应堆,就愁眉苦脸的原因。二战时,美国在日本广岛投放的原子弹是一颗铀弹,而在长崎投放的原子弹就是一颗钚弹,长崎的这颗造成了近10万人死亡的“胖子”原子弹的制造也离不开重水反应堆。
古龙笔下的“重水”是习武之人居家旅行、杀人必备之良药,实际中的重水是核战争发动者必备之物。不过,重水也不一定只用于核武器、核电站,生物学家、医学家可以用含有微量重水的普通水作为指示剂来进行研究动植物、人体的生理过程,水中的氘原子到了哪个器官、哪个组织,也就说明了水到了哪个位置,通过探测器科学家可以掌控水流情况。2008年,英国一科学家还曾发表论文认为人喝少量的重水可能会阻碍体内的一些氧化反应发生,延长寿命。
 
 
 
超级元素

  一些科幻小说中写道,外星人拥有用原子序数上千的元素制造的核武器,这种核武器中的超级元素具有异常的的特性,裂变时释放的能量远远超过了地球上的以92号元素铀为原料的原子弹,能量足以毁灭整个太阳系。那么这些超级元素真的存在吗,元素周期表的终点在哪里,会延续到上千吗?
  世界上第一张真正的元素周期表出自于1869年俄罗斯化学家门捷列夫之手,这张元素周期表囊括了当时已经发现的63种元素,在随后的几十年里,越来越多的新元素被发现,门捷列夫也在不断的完善着自己的杰作,将新发现的元素添加进去。1907年门捷列夫不幸离开人世,在庞大的送葬队伍中人们举着一张巨大的元素周期表,以一种特别的方式来纪念这位伟大的科学家,此时这张表上已经有了92号铀以前的大部分元素。1925年,随着75号元素铼的发现,周期表上只剩下43号、61号、85号、87号四个空格了。
  20世纪30年代,美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器而获得了诺贝尔物理学奖。意大利化学家塞格雷和佩列尔对这件“新武器”很感兴趣,他们通过加速器用高速质子 撞击42号元素钼,结果他们很幸运,钼原子的原子核与一个质子结合,42个质子变成了43个质子,43号元素成功地诞生了。后来两人将43号元素命名为锝,在希腊字中意为“人工的”,因为这是第一个在实验室里制造出来的元素。后来,85号元素砹也像锝一样,诞生在了回旋加速器中83号元素鉍的原子与α粒子(含有两个质子与两个中子的核)的撞击之下。另外两个元素则是在铀裂变的产物中被科学家捕捉到。
  到此,前92号元素已经全部被人类发现,可是另一个事实却困扰着人们,铀自从19世纪七十年代被发现,已经保持了原子序数最大元素的纪录近七十年,那么92号是元素周期表的终点吗?人们尝试在实验室里制造更大的原子核。1940年,美国加州大学伯克利分校科学家用中子轰击铀,铀发生β-衰变,原子核中增加了一个质子,获得了93号镎,而镎接着又经过一个衰变的过程从而转化成94号钚,随后几年,95号-98号元素也先后使用类似的方法而产生。在1952年,美国科学家又从原子弹爆炸的碎片里发现了99号和100号元素。
  此后,新元素的合成的过程变得更加复杂,得到一种元素往往需要多个环节,科学家们要尝试使用各种不同的 原子核互相碰撞,合成过程对设备的要求也越来越高。近几十年来,探索新元素的舞台上演着“三国演义”,美国伯克利国家? ?BR>验室、德国重离子研究中心、俄罗斯杜布纳研究所几乎垄断着所有新元素的发现,其他国家研究者由于缺乏强大的加速器和探测器,只能跟随其后,合成一些同位素。在50年代至70年代,新元素合成领域也成了美苏争霸的一个战场,美国伯克利国家实验室和俄罗斯杜布纳研究所交替着发现新元素,将元素周期表推进到了106号,在竞赛中美国略占上风。不过这些新发现的元素的半衰期都很短,存活时间从几小时下降到小于1秒。德国重离子研究中心在1975年建成了重离子直线加速器(UNILAC)和重余核鉴别设备SHIP,从1981年到1996年,先后合成了107至112号元素,取代了美国和苏联在这一领域的领先地位。美国的伯克利国家实验室不甘心长时间的落后地位,在1999年时几位学者宣布发现了116号和118号元素,但后来德国、法国、日本等国重复实验时却发现这是个骗局,几位学者急于求成的心态使伯克利实验室蒙羞不已。德国的重离子研究中心在发现了112号元素后,进展也停了下来。在21世纪的几年里,俄罗斯杜布纳研究所重新 夺回这一领域霸主地位,先后宣布合成了113,114,115,116和118号新元素。不过,人们吸取了伯克利实验室事件的教训,对于俄方的成果采取了更加谨慎的态度来确认。目前在元素周期表上正式确认的元素只到112号。
  在各国科学家在庞大的加速器里碰撞产生新元素的同时,人们也不断在理论上尝试预测元素周期表的终点。一些科学家认为原子核里的质子都携带着正电荷,在强大的库仑排斥力之下仍然能紧紧地聚集在一起成为原子核,依靠的是大自然中四种基本力(强力、弱力、电磁力、万有引力)之一的强力的吸引,但是当原子核中的质子越来越多,只在超短距离内才能发挥作用的强力会逐渐失去威力,当质子达到一定数目是,库仑力强大的排斥作用会使原子核无法形成,最初的估计是元素至多为106号,但是德国107号元素的发现推翻了这一预测。后来,又有人将元素最大值调整到了120。
  按照这一理论,原子数越大,元素的存活时间将越短,直至根本无法存活。但是又有人提出,事情不完全是这样的,1969 年起,很多学者研究发现,原子核内质子或中子数目为2、8、14、20、28、50、82、114、126、128 等(科学家们把这些 莆盎檬保 的原子核比较稳定,而质子数和中子数都为幻数的原子核更稳定。这些特别稳定的元素和周围的元素被称作“稳定岛”,也就是说,或许115号到125号元素寿命都很短,128以后的几个元素寿命也很短,但是126、127、128三个元素的寿命却很长,仿佛是在众多稍纵即逝的元素海洋中屹立着的孤岛。关于这样的超重稳定岛有多少个、它们都在那里、他们的半衰期到底有多长,各界的意见还不一。有人曾大胆预测,在远离现有的所有元素的遥远之处有一个很大的超重元素岛,探索超重稳定元素就如同探索浩瀚的宇宙一样,不断延续着元素周期表的同时也在拓宽着人们的视野。
  而实验的结果有时令超重稳定岛支持者欣喜不已,有时又令他们的希望落空。例如德国发现的109号元素的半衰期为5微秒,多于107号元素的2微秒,证明了并非元素越大就越不稳定;而俄罗斯发现的114号稳定岛元素为30秒,虽然远超过了几微秒的元素,但是与很多人预测的半衰期几十、几百甚至上亿年还有很大差距,不过也有观点认为发现的只是质子数为幻数的原子,中子数也是114“双幻数”同位素的寿命一定会更加长。
  如果原子数超过150、500甚 1000的稳定超重元素真的存在,它们应该不只会在实验室的机器里露面,在大自然里也应该可以寻觅到踪迹,研究者曾经探测过地下深层和海底岩石、来自太空的陨石、月球岩石,但都没有发现过超重元素,如果地球上不存在,宇宙其他星球、其他星系上是否存在呢?按照现有的理论,元素周期表上铁之前的20几个元素是由恒星内的核聚变产生的,在宇宙中含量相对比较大,其中核聚变的原料氢的含量占了宇宙的大部分。26号以后的元素只有在超新星爆发时才会产生,超重元素的形成的机会也比较少。但是谁又能预测到,或许有朝一日,在宇宙的某个深处或者在人类制造的新型加速器里,超级元素会被发现或者发明呢?

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