編譯 博衍

隨著新元素探索的腳步放緩，科學(xué)家們將工作重點(diǎn)放在加深對已知超重元素的理解上。

如果你想創(chuàng)造世界上下一個未被發(fā)現(xiàn)的元素——元素周期表中的第119號元素，下面的方法也許能夠助你一臂之力。首先，取出幾毫克锫，這是一種稀有放射性金屬，只能在專用核反應(yīng)堆中制造出來；然后用鈦離子束轟擊樣品，其速度大概需達(dá)到光速的1/10。堅(jiān)持一年左右，要有耐心，而且要非常有耐心。鈦離子每轟擊锫靶1018次——大約一年的射束時間——可能會產(chǎn)生1個第119號元素的原子。

在這種罕見的情況下，鈦和锫的原子核會發(fā)生碰撞并合為一體，碰撞的速度超過了它們的電斥力，從而創(chuàng)造出地球上甚至宇宙中從未見過的物質(zhì)。但新的原子會在大約1/10毫秒內(nèi)分解。在衰變過程中，它會爆發(fā)α粒子和γ射線，落在放置于锫靶周圍的硅探測器上，從而證明轉(zhuǎn)瞬即逝的第119號元素的確存在過。

研究人員已經(jīng)開展過該實(shí)驗(yàn)。2012年，德國的化學(xué)家花了數(shù)月時間對其進(jìn)行研究，但最終一無所獲。日本科學(xué)家曾嘗試過其他的光束和標(biāo)靶組合；他們還曾與和俄羅斯的一個研究團(tuán)隊(duì)合作，共同尋找第120號元素，但運(yùn)氣欠佳。

擴(kuò)展元素周期表的努力還未結(jié)束，但正在慢慢停止。自從俄國化學(xué)家門捷列夫在150年前首次發(fā)表元素周期表以來，研究人員一直在以平均每2～3年增加一種元素的速度往周期表中添加元素。在發(fā)現(xiàn)了所有自然存在的穩(wěn)定元素后，研究人員開始創(chuàng)造元素，如今已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了第118號元素。盡管他們?nèi)匀幌Ｍ业礁嘣?，但同時也一致認(rèn)為，發(fā)現(xiàn)第120號之后的元素的前景不容樂觀。加州勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室研究重元素化學(xué)的杰克林·蓋茨（Jacklyn Gates）表示：“在新元素合成方面，我們已經(jīng)到了回報(bào)遞減的階段，至少以我們目前的技術(shù)水平來看是這樣?！?/p>

因此，在元素周期表邊緣進(jìn)行的研究正在轉(zhuǎn)移人們的注意力?？茖W(xué)家們不是去尋找新的元素，而是重新加深對已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的超重元素的理解。粗略地說，超重元素就是那些原子序數(shù)超過100的元素。通過研究這些元素的化學(xué)性質(zhì)，可以看出質(zhì)量最大的元素是否遵循元素周期表的組織規(guī)則。周期表則根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的周期性重復(fù)模式，將具有相似性質(zhì)的元素歸為同一家族。盡管最重的元素在轉(zhuǎn)瞬之間發(fā)生衰變，但研究人員仍然希望他們可能到達(dá)傳說中的“穩(wěn)定島”：一個假想的元素區(qū)，其中的一些超重元素同位素（原子核中質(zhì)子數(shù)相同，但中子數(shù)不同的原子）可能存在幾分鐘、幾天甚至更長時間。

創(chuàng)造新元素在概念上非常簡單，但在技術(shù)上既困難又緩慢。研究在不到一秒內(nèi)衰變的原子的化學(xué)和核物理性質(zhì)，將計(jì)算和實(shí)驗(yàn)工作都推到了極限。到目前為止，該領(lǐng)域取得的成果已經(jīng)對這些極端元素的化學(xué)周期性提出了疑問。85歲的俄羅斯核物理學(xué)家、歷史上第二位健在時便擁有以自己名字命名的元素（）的科學(xué)家尤里·奧加涅相（Yuri Oganessian）說：“發(fā)現(xiàn)超重元素有時就像打開一個潘多拉盒子，從盒子里扔出來的問題比發(fā)現(xiàn)更多的元素要復(fù)雜得多?！?/p>

元素發(fā)現(xiàn)時間

自從門捷列夫在1869年發(fā)表周期表以來，研究人員發(fā)現(xiàn)或創(chuàng)造新元素的平均速度是每2～3年一個。

稀有成果

對超重元素的研究始于20世紀(jì)40年代的戰(zhàn)時科學(xué)。第一批非自然元素是在原子彈試驗(yàn)的放射性塵埃碎片中發(fā)現(xiàn)的，還有一些是在粒子加速器中制造的。從20世紀(jì)50年代到70年代，大部分研究要么在伯克利國家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，要么在奧加涅相所在的位于俄羅斯杜布納的聯(lián)合核研究所（JINR）進(jìn)行，而超重元素的研究工作是在冷戰(zhàn)競爭的氛圍中進(jìn)行的。20世紀(jì)80年代，德國加入了競賽，位于達(dá)姆施塔特的一個研究所（現(xiàn)亥姆霍茲重離子研究中心，GSI）制造了第107號至第112號的元素。

GSI超重元素部門負(fù)責(zé)人克里斯托弗·杜爾曼（Christoph Düllmann）認(rèn)為，早期的競爭優(yōu)勢已經(jīng)減弱，如今，研究人員經(jīng)常合作開展一些實(shí)驗(yàn)。日本理化學(xué)研究所（RIKEN）西奈山加速器科學(xué)中心的一個日本團(tuán)隊(duì)被認(rèn)為制造出了第113號元素。后期元素（至第118號元素）的創(chuàng)造很多時候共同歸功于來自德國、美國和俄羅斯的團(tuán)隊(duì)。

學(xué)生譯文1：Based on the current situation,this project cost will exceed 30%of the budget.

在GSI從事元素合成工作40年的馬蒂亞斯·沙德爾（Matthias Sch?dell）認(rèn)為，現(xiàn)代尋找超重元素的工作類似于小規(guī)模的粒子物理實(shí)驗(yàn)，需要具有不同科學(xué)專業(yè)知識的團(tuán)隊(duì)從大量碰撞數(shù)據(jù)中篩選出非常罕見的事件。他說：“在控制室里坐上幾小時、幾天，甚至幾周，僅僅是為了尋找探測器發(fā)出的期待已久的信號。這項(xiàng)工作非常無聊，令人精疲力盡。然而，首次觀察到期待中的事件會令人激動不已，身心愉悅，同時給人以巨大安慰?！?/p>

2015年，森田浩介在新聞發(fā)布會上宣布，他領(lǐng)導(dǎo)的日本理化學(xué)研究所團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了第113號元素

奧加涅相表示：“人工元素的合成從來都是一項(xiàng)困難而艱苦的工作。將元素周期表擴(kuò)展到118號以后的元素會消耗大量時間，而且回報(bào)也會不斷遞減。在發(fā)現(xiàn)第117號元素的過程中，每周可獲得1個原子；第118號元素則每個月只能獲取1個原子。沒有理由相信第119號和第120號這兩種未知元素的產(chǎn)量會增加?！比鸬渎〉麓髮W(xué)的核物理學(xué)家德克·魯?shù)婪颍―irk Rudolph）認(rèn)為，如果研究人員能夠增加原子束的強(qiáng)度或標(biāo)靶的厚度，這將會有所幫助，但是這兩項(xiàng)工作“在技術(shù)上都極具挑戰(zhàn)性”。

杜爾曼說，GSI目前已經(jīng)停止了尋找新元素的工作，因?yàn)檫@家機(jī)構(gòu)正在安裝一臺反質(zhì)子和離子研究設(shè)備的加速器，用于研究天體物理現(xiàn)象，超重元素研究工作因此被擱置下來。

奧加涅相說，與此同時，JINR的研究人員也在2014年底“幾乎停止了”對元素的探索。在過去的5年中，他們集中精力建造了一個實(shí)驗(yàn)室，奧加涅相稱之為超重元素工廠，生產(chǎn)已知元素的數(shù)量可以是原來的數(shù)十倍或數(shù)百倍。奧加涅相表示，該實(shí)驗(yàn)室可以同時開展5項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，還計(jì)劃從2019年4月開始進(jìn)行兩項(xiàng)為期50天的演示，生產(chǎn)第114號和第115號元素。

幾年前，伯克利研究小組就放棄了尋找元素。蓋茨說：“人們經(jīng)常討論我們是否應(yīng)該嘗試制造一種新元素，但是我認(rèn)為，通過對目前已知元素進(jìn)行更詳細(xì)的研究，可以更好地利用現(xiàn)有的束流時間?！?/p>

理化學(xué)研究所仍在尋找元素，但同時也在鞏固我們對現(xiàn)有元素的了解。該中心超重元素生產(chǎn)團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人寬宏光表示，他的團(tuán)隊(duì)將研究第104號、第105號和第106號元素的化學(xué)性質(zhì)。

周期性的終結(jié)？

大多數(shù)研究人員認(rèn)為，探索已知元素的化學(xué)性質(zhì)和核物理性質(zhì)與制造新元素一樣有價值。一個關(guān)鍵問題是，超重元素在多大程度上維持了構(gòu)成門捷列夫元素周期表基礎(chǔ)的化學(xué)性質(zhì)的周期性。元素的化學(xué)性質(zhì)取決于其最外層電子的反應(yīng)性。在原子中，電子占據(jù)著不同的軌道。這些軌道環(huán)繞著原子核，而能量最高的軌道在形成化學(xué)鍵和離子的過程中發(fā)揮了作用。元素周期表中位于同一列的元素（同族物）具有相似的化學(xué)性質(zhì)，因?yàn)樗鼈兊碾娮訕?gòu)型相似，最外層的電子數(shù)也相同。

然而，一些更重的元素被證明可以用于其他類型的化學(xué)研究。例如，用一種相對簡單的技術(shù)來探測超重元素，可以測量原子在周圍氣體中附著在物體表面的強(qiáng)度。GSI的實(shí)驗(yàn)表明，（第114號）在金表面可形成類似于其同族物鉛的金屬-金屬鍵，但這種鍵要弱得多。換句話說，超重元素的反應(yīng)性更低，更穩(wěn)定。與此同時，（第112號）與金的相互作用遠(yuǎn)不如它的同族物汞強(qiáng)烈。（第113號）更難進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，但JINR的初步觀察以及珀什納的計(jì)算表明，它與金表面形成的化學(xué)鍵相對較強(qiáng)，盡管要弱于其同族物鉈。

在某種程度上，這也是意料之中的事：同族元素中，隨著原子的增大，化學(xué)鍵的強(qiáng)度減小。但是要充分解釋超重元素的化學(xué)性質(zhì)，珀什納的計(jì)算還必須考慮相對論效應(yīng)。在原子量非常大的原子中，位于最里層的電子和原子核之間有超強(qiáng)的相互作用，其電子的運(yùn)行速度非?？欤赡艹^光速的80%），從而導(dǎo)致它們的質(zhì)量增加——狹義相對論預(yù)測到了這一點(diǎn)。這使它們更靠近原子核，也意味著它們可以更有效地屏蔽外層電子。這改變了外層電子的能量，從而改變其化學(xué)反應(yīng)性。

相對論的極端

相對論效應(yīng)已經(jīng)為人所知。例如，金的微黃色和汞的低熔點(diǎn)均是因?yàn)橄鄬φ撔?yīng)所致。超重元素表現(xiàn)出這些極端效應(yīng)很難根據(jù)基本原理精確計(jì)算。沙德爾說，研究人員在2002年發(fā)現(xiàn)了相對論效應(yīng)如何導(dǎo)致（第105號）的性質(zhì)與同族物鉭大相徑庭。這一發(fā)現(xiàn)令科學(xué)家興奮不已，它為我們繼續(xù)探索超重元素的化學(xué)性質(zhì)提供了巨大動力。

杜爾曼說，化學(xué)家們并不認(rèn)為到目前為止觀測到的相對論偏差可以否定一個廣為接受的觀點(diǎn)，即同一族元素具有使其有別于其他族元素的相似性質(zhì)。在他看來，研究人員在找到第120號之后的元素前，不會發(fā)現(xiàn)明顯的化學(xué)周期性消失。對此，他這樣解釋：“幾個軌道的能量開始變得非常接近，以至于不再出現(xiàn)有規(guī)律的模式。”這一趨勢似乎已經(jīng)在2018年的計(jì)算中得到了證實(shí)。該計(jì)算表明，可能不像它的同系物氙和氡那樣是一種惰性氣體。它最外層的電子軌道已變得模糊，因此它的反應(yīng)性可能比它在元素周期表上的位置所顯示的還要強(qiáng)。

長期以來，物理學(xué)家和化學(xué)家一直利用光譜直接測量電子能級。從本質(zhì)上說，這涉及向原子發(fā)射光，以測量當(dāng)粒子躍遷到高的能級或低的能級時，電子吸收光子和發(fā)射光子的能量。但是在單個壽命很短的原子上做這個實(shí)驗(yàn)極具挑戰(zhàn)性：在標(biāo)靶消失之前，如何以足夠的靈敏度進(jìn)行測量？但在2016年，GSI的一個團(tuán)隊(duì)測量出了半衰期為51.2秒的第102號元素锘的單個原子的電離勢。研究人員用鈣離子束轟擊鉛靶，然后減慢氬氣中原子的速度，使它們聚集在鉭絲上，以每秒4個左右的速度制造了諾原子。研究人員周期性地采用二步法將電子激活：先加熱鉭絲，使其釋放出的锘原子變成氣相，然后用激光將其激發(fā)，而這一切都發(fā)生在幾秒鐘之內(nèi)。在后來的工作中，他們利用這種光譜測量數(shù)據(jù)來推斷三種锘同位素的原子核的形狀和結(jié)構(gòu)，最后得出結(jié)論：它們不是球形，而是橄欖球形——一種影響電子結(jié)構(gòu)的畸變。目前，該團(tuán)隊(duì)正在努力將測量范圍擴(kuò)大到第103號元素鐒。

日本原子能機(jī)構(gòu)（JAEA）的研究人員開發(fā)了一種不同的電離能測量方法。在他們的裝置中，超重元素的原子從標(biāo)靶中反沖出來，在氦氣載體射流通過一根加熱鉭管時被捕獲。原子將電子轉(zhuǎn)移到金屬表面，然后被送到一個驗(yàn)證其特性的α粒子探測器中。日本原子能機(jī)構(gòu)重元素核科學(xué)研究小組成員詠裕一郎表示：“通過這種方法，我們可以測量半衰期只有幾秒的元素的電離能。”詠裕一郎和他的同事用這種方法測量了從鐨（第100號）到鐒（第103號）的電離能。正如計(jì)算所預(yù)測的那樣，相對于原子量較輕的同族元素镥，相對論效應(yīng)使鐒的電離勢比通常的周期趨勢所表現(xiàn)的要低。詠裕一郎介紹說，他的團(tuán)隊(duì)目前正在開發(fā)一種新的方法來測量鐒之后的元素的電離勢，因?yàn)檫@些元素的揮發(fā)性不足以使這種表面技術(shù)得以應(yīng)用。

元素分解

即使第118號元素之后的元素可以被制造出來，研究它們的化學(xué)性質(zhì)也將是一個巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)槿藗冾A(yù)計(jì)它們會很快分解。奧加涅相表示：“我不會說這是不可能發(fā)生的事情，但目前我還不知道如何完成這項(xiàng)任務(wù)?！?/p>

然而，核科學(xué)家推測，能夠長期存在的超重同位素可能存在。和電子一樣，原子核中的質(zhì)子和中子也以殼層構(gòu)型排列，這使得它們的結(jié)構(gòu)或多或少容易被破壞。根據(jù)預(yù)測，填滿殼層的粒子數(shù)量是特定的“神奇數(shù)字”，這使其具有穩(wěn)定性，從而在原子衰變之前延長其存在時間。這一效應(yīng)大致類似于惰性氣體的相對穩(wěn)定性和非反應(yīng)性，因?yàn)槠潆娮託颖惶顫M了。

卡特里納·烏爾曼（Cathrina Ullman）站在德國GSI重離子研究中心加速離子儀器內(nèi)

有時，研究人員會討論元素周期表會在什么地方終止。這種事可能會發(fā)生，因?yàn)樵恿糠浅４蟮脑拥淖钔鈱与娮涌赡懿淮嬖谌魏闻c原子核實(shí)際結(jié)合的狀態(tài)，所以根本沒有真正的化學(xué)性質(zhì)可言。或者原子核一旦形成就會分裂。2018年5月，國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）重申了其立場：一種元素至少應(yīng)該存在10-14秒。但一些化學(xué)家質(zhì)疑：沒有時間相互作用的原子能否被賦予有意義的化學(xué)性質(zhì)，從而成為一種元素？

這實(shí)際上是在問：在最極端的情況下，元素周期表是否會像當(dāng)初門捷列夫所理解的那樣，仍然是一個以化學(xué)為基礎(chǔ)的體系？或者它是否會變成一個以非常高的核子密度為基礎(chǔ)的物質(zhì)物理學(xué)體系？新元素必須排列在周期表的某個位置，但它們的位置可能會變成一種擺設(shè)，而不是用來表示有關(guān)其化學(xué)性質(zhì)的有用信息。

然而，為了達(dá)到這一目標(biāo)，化學(xué)家們需要創(chuàng)造出那些更重的元素。盡管技術(shù)難度很大，但尋找工作仍在繼續(xù)。理化學(xué)研究所的研究員英人伊島說：“我們從去年6月開始尋找第119號元素。這肯定要花很長時間，也許是年復(fù)一年，每年100天或更長時間，但我們?nèi)匀粫^續(xù)開展相同的實(shí)驗(yàn)，直到我們或其他人發(fā)現(xiàn)它為止?！?/p>

杜爾曼說：“我非常樂觀地認(rèn)為，第119號和第120號元素將在未來10年內(nèi)被發(fā)現(xiàn)。長期前景看起來似乎不那么光明，但在20世紀(jì)90年代我還是一名博士生時，看過該領(lǐng)域的‘大?！瘋儼l(fā)表的一些關(guān)于解釋為什么第112號元素已經(jīng)接近極限的論文。而在20年后，我們有了第118號元素，所以我想我們不應(yīng)低估下一代。”