人造元素指自然界本來不存在的元素,通過人工方法製造出來的元素。一般通過將兩種元素以高速撞擊,增大自然存在的元素原子核質子的個數,達到增大原子序數,製造出新的元素。
1910年,盧瑟福進行了著名的α粒子轟擊金箔的實驗,他發現大多數α粒子能夠穿過金箔繼續向前行進,也有一部分α粒子改變了原來行進的方向,但改變的角度不大。隻有極少數的α粒子被反彈了回來,好像碰到了堅硬的不可穿透的物體。
盧瑟福認為,這個實驗說明金原子中有一個體積很小的原子核,原子的質量和正電荷都集中在原子核內。α粒子通過原子中的空間部分時,不會受到阻力,可以順利地穿過,但如果碰到原子核,則互相排斥(α粒子和原子核都帶正電),α粒子就會被彈回來。
盧瑟福設想,金原子核中有79個質子和118個中子,質量太大,α粒子和金原子核之間的排斥力太大,並不能把金原子核轟開。如果采取兩種措施:一方麵用能量很高的α粒子來轟擊;另一方麵,把被轟擊的對象改為輕的原子核,例如氮原子核(含有7個質子和7個中子)。那麼,α粒子與氮原子核之間的排斥力要小得多,也許能量很高的α粒子有可能把氮原子核轟開。
實驗的結果確實像盧瑟福設想的那樣,α粒子鑽進了氮原子核以後,α粒子中的2個質子和2個中子與氮原子核中的7個質子和7個中子重新組合後,變成了一個氫原子和一個氧原子。
一個原子的原子核被轟開以後,變成了另外兩個原子,這意味著化學家已經能夠用人工方法合成化學元素了。盧瑟福的發現還改變了19世紀以來化學界認為“元素永遠不變”的理論。
雖然盧瑟福將原子分裂後得到的都是一些輕元素,但是,想要用人工的方法獲得重元素也是可能的。隻要能夠製造出威力更強的“大炮”,發射出各種高能粒子,就能達到目的。
我們知道,用算盤做加法,那很方便,隻需要把算盤珠朝上一撥,就加上一了。可是,要往一個原子核裏加一個質子或別的什麼東西,可就不那麼容易了。從1925年開始,直到1934年,法國科學家弗列特裏克·約裏奧·居裏和他的妻子伊綸·約裏奧·居裏(即鐳的發現者居裏夫人的女兒)才找到進行原子“加法”的辦法。當時,他們在巴黎的鐳學研究院裏工作。他們發現,有一種放射性元素—84號元素釙的原子核,在分裂的時候,會以極高的速度射出它的“碎片”——氦原子核。在氦原子核裏,含有2個質子。於是,他們就用氦作為“炮彈”,去向金屬鋁板“開火”。嘿,出現了奇跡,鋁竟然變成了磷!
鋁,銀閃閃的,是一種金屬,磷,卻是非金屬。鋁怎麼會變成磷呢?用“加法”一算,事情就很明白:鋁是13號元素,它的原子核中含有13個質子。當氦原子核以極高的速度向它衝來時,它就吸收了氦原子核。氦核中含有2個質子,13+2=15,於是,形成了一個含有15個質子的新原子核。你去查查元素周期表,那15號元素是什麼?15號元素是磷!就這樣,鋁像變魔術似的,變成了另一種元素——磷!
不久,美國物理學家勞倫斯發明了“原子大炮”——回旋加速器。在這種加速器中,可以把某些原子核加速,像“炮彈”似的以極高的速度向別的原子核進行轟擊。這樣一來,就為人工製造新元素創造了更加有利的條件。
1937年,勞倫斯在回旋加速器中,用含有1個質子的氘原子核去“轟擊”42號元素——鉬,結果製得了第43號新元素。