作者：李兆瀅

我們都聽說過，宇宙始于大約138億年前的大爆炸。在大爆炸之后，宇宙中充滿了光子、夸克、電子和中微子等基本粒子。

隨著宇宙的膨脹和冷卻，一些基本粒子開始形成第一批元素：氫、氦，以及少量的鋰。之后，在宇宙漫長的演化過程中，恒星核心的核聚變反應產(chǎn)生了如碳、氧等較輕的元素，而超新星爆發(fā)和雙中子星并合等劇烈事件則合成了更重的元素。正是這些不同的物理過程，逐漸構(gòu)建了我們今天看到的豐富多彩的元素周期表。

不僅如此，在過去的一百多年里，科學家通過人工合成還在不斷地增加新的元素。目前，已知最重的元素是原子序數(shù)為118號的?（Og）。一個顯而易見的問題是：我們能否創(chuàng)造出比它更重的元素？

2024年10月24日，一篇發(fā)表于《物理評論快報》的論文表明，研究人員采用了一種新方法，成功制造出了一種已知的超重元素，也就是原子序數(shù)為116的??（Lv）。而這項研究之所以值得關注，是因為新方法為制造更重的120號元素帶來了希望。

那么什么是超重元素，為什么制造它們這么難呢？

在元素周期表中，超重元素（Superheavy Elements）是指那些原子序數(shù)超過103的元素。由于這些元素在自然界中不存在，科學家必須通過實驗室的核聚變反應來制造它們。

理論上，制造超重元素很簡單。你只需要把兩個較輕的原子核融合在一起，使他們的質(zhì)子數(shù)（即原子序數(shù)）等于想要創(chuàng)造的超重元素的原子序數(shù)即可。例如，如果你想創(chuàng)造出116號元素，你可以嘗試融合鈣-48和鋦-248的原子核，它們分別包含了20個質(zhì)子和96個質(zhì)子，20+96=116。

聽起來很簡單，但在實踐中，制造超重元素卻充滿了挑戰(zhàn)。通常，科學家會使用粒子加速器，用較輕的原子核組成的粒子束撞擊由較重的原子核構(gòu)成的靶。其目的是讓兩個原子核聚變，形成一種新的、更重的元素，比如??或?。然而，兩個原子核發(fā)生聚變的概率極低。為了制造一個超重元素，就需要向靶原子核發(fā)射數(shù)以億計的粒子。即便成功制造出一個原子，它也會瞬間衰變?yōu)楦p的原子核，因為這些超重元素的原子核非常不穩(wěn)定。因此想要研究超重元素就變得異常困難。

到目前為止，第114到118號元素，都是用鈣-48粒子束轟擊由錒系元素構(gòu)成的靶制造出來的。鈣-48具有20個質(zhì)子和28個中子，這種同位素非常穩(wěn)定，非常適合用來與靶發(fā)生核聚變反應，產(chǎn)生超重元素。不過，如果想要用鈣-48產(chǎn)生第119或120的元素，則需要第99號元素锿（Es）和第100號元素鐨（Fm）作為靶。但問題是，這兩種元素極不穩(wěn)定，半衰期比實驗的時間還要短；同時，這些元素也非常稀有，科學家只能獲得微克級別的少量樣品，而實驗用到的靶至少需要10毫克。所以，要制造出更重元素的唯一出路就是找到新的方法。

在新的研究中，物理學家試圖用一種特殊的鈦同位素——鈦-50來制造超重元素。這種鈦同位素很稀有，只占天然鈦的5%左右。研究人員將一小塊鈦-50金屬加熱到近1700攝氏度。在這個極端溫度下，鈦不會融化，而是直接升華變成氣體，就像干冰沒有先變成液體而是直接變成氣體一樣。氣化后的鈦會進入到一個復雜的裝置中，在那里，高能電子會與鈦原子碰撞，轟擊掉鈦原子所包含的22個電子中的12個，使鈦原子變成帶正電的離子。如此一來，研究人員就可以通過磁鐵來操縱這些離子，并讓它們在回旋加速器中加速。

用鈦-50轟擊钚-224，研究人員創(chuàng)造出了116號元素。（圖/Jenny Nuss/Berkeley Lab）

由鈦離子構(gòu)成的離子束會瞄準另一種重元素制成的靶。這次，研究人員嘗試用鈦-50來制造116號元素，??（Lv）。所以，靶是由钚（Pu）制成的。這個靶比一張紙還薄，它會被不斷旋轉(zhuǎn)，這有助于分散持續(xù)轟炸產(chǎn)生的熱量。每秒鐘，大約有6萬億個鈦離子撞擊靶。而且鈦離子的能量必須精準調(diào)控：如果太低，它們就沒有足夠的能量靠近靶原子核；如果太高，它們可能會摧毀靶原子核，使聚變過程失敗。

最終，通過這個方法，研究人員成功的制造出了??。這一成功也為合成更重的119號和120號元素奠定了基礎。

通過新方法，或許可以制造出120號元素。（圖/Jenny Nuss/Berkeley Lab）

研究人員尤其關注第120號元素，因為理論模型預測它可能接近’穩(wěn)定島’區(qū)域。在這個區(qū)域內(nèi)，特定數(shù)量的質(zhì)子和中子可以形成較為穩(wěn)定的超重原子核。這并不意味著這些元素不會放射性衰變，而是相較于其他超重元素，它們的半衰期可能會延長數(shù)秒、甚至數(shù)分鐘。所以，研究人員就有更多的時間去研究超重元素，從而幫助我們更好地探索原子核的極限，以及元素周期表的極限。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.172502

本文為科普中國?星空計劃扶持作品

作者名稱：李兆瀅

審核：穆云松 中國人民大學化學與生命資源學院環(huán)境科學與工程系主任

出品：中國科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

來源: 星空計劃

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