鑽石舞台

原文作者：喬瓦尼·巴克羅（Giovanni Baccolo），意大利錫耶納大學地球科學系

1802年，瑞典化學家安德斯·埃克貝格（Anders Ekeberg）從礦石中首次提取出了第73號元素，並加以描述。他將這種元素命名為「鉭」，因為「被放置在酸液中時，鉭既不會與酸反應，也不會被浸潤」；這讓人聯想到在希臘神話中的坦塔羅斯，他儘管被食物和水包圍，但卻吃不着、喝不到[1]。

在長達六十多年的時間裡，鉭和鈮都被認為是同一種元素。鈮是鉭在元素周期表中的鄰居，1801年，查理斯·哈契特發現了這種元素並將其命名為鈳——鈮早期的名字。鉭和鈮具有非常相似的化學和物理性質，並且在自然界中總是混在一起。1801年至1866年間，鈳、鉭、鈮、pelopium、ilmenium等元素一再被宣告發現；然而，這些元素後來被證明只是鉭和鈮，抑或是兩者的混合物。

法國科學家讓-夏爾·加利薩·德馬里尼亞（Jean Charles Galissard de Marignac）利用鉭、鈮的含氟化合物的不同溶解度[2]，第一個成功地將鉭從鈮中分離出來。鉭與鈮、鉬、鎢和錸都屬於難熔金屬——也許並無出人意料之處。這些元素具有非常高的熔點（鉭的熔點為3290 K），以及眾所周知的高機械性能和化學惰性。

這種化學惰性使鉭被用於種種不同場合。二十世紀初，緊隨着新的提取和純化方法的出現，它有了第一個應用。1905年，恩斯特·維爾納·馮·西門子（Ernst Werner von Siemens）僱傭的工程師設計了一種基於鉭燈絲的白熾燈泡，這是第一次用金屬取代易碎的碳燈絲的商業嘗試。然而，鉭燈泡很快就被另一種更合適的難熔金屬鎢所取代，因為鎢更穩定、熔點更高（3695 K）。鉭也曾被用來製作耐墨水腐蝕的鋼筆筆尖，但很快就被鋨和銥的合金取代。在現代，從製造合金，到電子設備和外科植入物，鉭活躍在各種不同的行業里。手機和類似的設備往往依賴於鉭電容器；而作為外科植入物，鉭的惰性確保它不會干擾生物組織和生理過程。

第73號元素最奇特的特徵涉及到它的一些核性質。鉭最初被認為只有一種天然同位素鉭-181；但在1955年，第二種同位素鉭-180被鑑定出來[3]。據估計，它的相對豐度僅為天然鉭的0.01201%，這是迄今為止觀察到的最稀有的天然同位素。鉭-180的半衰期約為8小時，這意味着它應該是放射性的。既然如此，那我們是如何在天然樣品中觀察到鉭-180的呢？

這種同位素是以鉭-180m的狀態存在的，其中「m」表示亞穩態，在核物理中稱為同質異能素。同質異能素處於原子核的激發態，它與激發態的電子遵循類似的規則。它們通常是放射性物質，會很快地衰變為基態，並發射標誌性的伽馬射線。但有時它們需要更長的時間才能衰變。鉭-180m就是如此，這是最穩定的和已知的唯一一種天然核同質異能素。儘管有過幾次嘗試，但它的自發衰變還沒有被觀察到，半衰期的下限在1012-1016年。天體物理學家試圖通過研究在恆星以及極端事件（如超新星爆發、核捕獲和核解體）中的典型的核合成途徑，來進一步了解這種奇特的同位素的起源，但尚未達成共識。理解清楚這個難以解釋的過程，對核合成模型而言是一項重要的考驗。

鉭-180m與其它長壽命的核同質異能素的另一個重要研究方向是，有可能可以強行讓它們衰變到基態，誘導其能量以伽馬射線的形式釋放。針對鉭-180m所做的一些嘗試已經成功，但現有的過程能量轉化效率極差[4]。改進這一過程可能可以促進伽馬射線激光器發展，或是開發出一種新型核電池[5]。

人們可能更了解它的惰性、抗腐蝕性和優良機械性能，但第73號元素還帶來了另外一些等待我們去研究的有趣問題。