新方法合成超重元素，距神秘“稳定岛”又近一步

元素周期表。（Shutterstock）

一种创新的制造超重元素的方式，可能不久将为元素周期表新增一行，使科学家得以探索未知的原子领域。

通常来说，周期表上新合成的、人工制造的重元素过于“庞大”，往往导致其不稳定和转瞬即逝。科学家们努力将更多的质子和中子压缩在一起，以构建“超重”原子核——质子总数超过103的原子核——这样的元素越来越不稳定。

迄今为止，人类制造的所有超重元素几乎都是在刹那间衰变。然而，美国劳伦斯‧伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的研究人员通过粒子加速器合成这些重元素，现已向着神秘的“稳定岛”迈出了重要的一步。

“稳定岛”是原子核物理学中一个理论上的周期表区域，其中的超重元素可能终于能够持久存在，从而打破常规。

该团队利用一种新方法成功合成了第116号元素“鉝”（livermorium），该方法使用了钛-50（titanium），这是一种稀有同位素，约占地球上所有钛的5%。将这种钛加热至3,000华氏度并转化为高能粒子流，研究人员得以将这种粒子流对撞其它原子，从而创造出超重元素。

尽管鉝以前已经用其它方法制造过，这种创新的方法为合成新的、更重的元素铺平了道路，进而有望扩充元素周期表。

“这项成就真正具有开创性。”未参与该研究的、日本理化学研究所（RIKEN）的研究员Hiromitsu Haba如此表示。他还指出，这一成就是“进一步发现新元素的必要条件”。这项研究成果已在7月的Nuclear Structure会议上发表，目前正在《物理评论快报》（Physical Review Letters）期刊进行同行评审。

超重元素融合的“简易”数学

位于伯克利实验室的88英寸回旋加速器（Cyclotron）是一种能产生电磁场的装置，它能推动原子核释放部分周边电子，并使其以高速撞向其它静止的原子。透过这些设备，合成超重元素的过程就变成了一道简单的数学题：要制造一个含有116个质子的元素，你需要将两个原子核融合，使它们的质子总和达到这个数字。然而，在核物理学领域，事情往往没有那么简单。

传统上，钙-48是制造超重元素融合反应的首选同位素，因为它具有“双重魔数”属性（doubly magic nature）。原子核被电子轨道构成的壳所环绕;当原子核拥有能完全填满一个轨道壳的“魔数”质子或中子时，它们会非常稳定，若同时拥有这两种粒子的“双重魔数”则稳定性更是出众。但钙48的质子数较少，这限制了它合成更重元素的能力。

与钙-48（Ca-48，有20个质子）能结合的最重稳定元素是锔（curium，有96个质子），最终形成了“鉝”元素（116个质子）。尽管钙-48和更重的锫（berkelium，有97个质子）已被用来合成元素117，但锫“极其难以制造”。并未参与这项新研究的、密西根州立大学稀有同位素束设施的首席科学家Witold Nazarewicz表示，“如果我们想要制造更多更重的元素，我们需要一个比钙-48含有更多质子的粒子流。”

为了制造这样的粒子流，研究团队转而使用钛-50，试图将其与钚（plutonium）融合，以制造鉝元素。“在进行这项实验之前，没有人知道使用钛来制造物质会是容易还是困难。”伯克利实验室重元素小组组长及该研究的主要作者Jacklyn Gates强调。

不同于稳定性极高的“双重魔数”钙-48，钛-50并不具有魔数特性，也缺乏极端的稳定性。它的熔点几乎是钙的两倍，这使得处理它更加困难。钛-50原子较低的稳定性使其即便发生碰撞也很难成功融合。“这就像是每天看到一个合成原子，与每十天甚至更久才看到一次的差别。”Gates解释道。尽管面临这些挑战，钛-50仍被视为下一个最佳选择，因为它提供了超出钙所能达到的创造超重元素的可能性。

当同位素准备就绪，回旋加速器开始运作后，接下来就是漫长的等待。不断地将钛粒子流对准铀（uranium）目标进行轰击，两个原子核之间发生任何碰撞的概率极低。“如果你将一个原子放大到足球场那么大，原子核就像是一颗豌豆。”Gates说，“我们每秒射出六万亿个钛粒子对准目标，只是为了有机会撞到原子核。”

高强度的粒子轰炸和成功碰撞的罕见性，导致合成出可测量的鉝需耗时22天。

探索“稳定岛”

钛-50的成功应用在超重元素合成领域取得了显著进展。这项实验不仅证明了该技术基本上是可行的，还提供了关于钛-50粒子束“截面”的重要数据。（所谓“截面”，是指在两粒子碰撞时，根据碰撞能量，某特定结果发生的概率。）

在这个基础上，下一个野心勃勃的目标是利用钛-50进行融合，创造出元素120，这需要与“锎”元素（californium）进行碰撞。元素120将成为迄今合成的最重元素，也是周期表第八行的首个元素。根据某些模型，这种元素也应该相对寿命较长，成为人们长期追寻的“稳定岛”的起点。尽管理论模型对于钛基合成所需的精确能量提供的确定性不多，但这些初步结果提供了宝贵的洞见。

“（这项研究）获得了截面的实验数据，现在我们知道哪个（理论）模型最为可靠。”Nazarewicz解释说。Hiromitsu Haba则补充说：“我们正在探索极端环境下的原子核，这在理论上仍然难以预测……然而，我们没有任何理由认为元素120不能用这种方法合成。”

尽管创造这种新元素可能还需数年时间，但这一潜在的发现有望为电子壳层和周期表提供新的见解，这对核物理学、材料科学等领域可能具有重大意义。“你将进入（电子的）g轨道。”Gates表示，他指的是一种理论上的新电子配置，这是前所未有的。“这如同开启了化学的一个崭新领域。”