理查德·范·诺尔登,《自然》杂志撰稿
经过九年艰苦的实验,日本研究人员昨天报告说,他们已经创造了第三个 113 号元素的原子。该领域的专家表示,这一成功可能会使该元素正式添加到元素周期表中。这将是第一个在东亚发现的人工元素,有可能使日本团队获得命名权。
但这种特权并非有保证。美国和俄罗斯的研究人员也在努力研究 113 号元素,他们说自 2003 年以来已经创造了 56 个该元素的原子。
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这些观测结果均未得到被任命负责裁决此类事务的独立专家委员会的确认。这表明证明创造新的超重元素有多么困难,同时也突显了为批准研究结果而设立的流程的官僚性质。
数万亿原子
自 2003 年以来,由森田浩介领导的日本团队一直在东京附近的埼玉县理研加速器科学研究中心用锌原子束轰击铋靶。他们的目标是融合这些元素的原子核,以产生一个原子核中具有 113 个质子和 165 个中子的原子。
这种融合极其不可能。九年来,光束总共开启了 553 天,在此期间,有 130 万亿 (1.3 × 1020) 个锌原子被射向铋靶。事实上,森田说,该团队从一开始就知道成功不大可能:他们计算得出,每 100 万亿次尝试中,他们只能看到 3-6 次成功。
该团队早期曾抱有希望。到 2004 年,他们发现了一个似乎是 113 号元素的原子。但是成功的融合无法直接观察到。将如此多的质子和中子挤压在一起会产生不稳定的力涌动,并且该原子会在几毫秒内分解。它会衰变,要么分裂成两个较小的部分(“裂变”),要么吐出一系列小的带电粒子(“α 衰变”),当这些粒子嵌入周围的硅半导体时会被检测到。这些衰变产物的计时和能量暗示了原始材料是什么,但只有当最终的衰变产物是其性质已知的物质时,它们才能提供确定性。
在理研前两次可能观察到该元素的过程中,研究人员记录了四次 α 衰变,然后发生了裂变反应,他们认为这来自镎 (105 号元素) 的同位素。但尚不清楚 α 衰变链是否以 113 号元素开始。至少,这是去年就此类事项作出裁决的机构(一个由国际纯粹与应用化学联合会 (IUPAC) 和国际纯粹与应用物理联合会 (IUPAP) 的专家组成的团体)发布的技术报告的结论。
竞争对手
技术专家对加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室和俄罗斯杜布纳联合核研究所的科学家团队在 2004 年报告的单独观察结果也不满意。该团队使用了不同的反应,将钙撞击镅 (95 号元素) 靶以产生 115 号元素。当该元素分解并衰变至稳定的镎最终产物时,人们认为它会在过程中产生 113 号元素。
在杜布纳设施工作的尤里·奥加涅西恩表示,杜布纳的实验(本应产生 113 的不同、更稳定的同位素)的优势在于,理论上,其反应发生的频率是日本实验的 300-500 倍。另一方面,衰变链中的每个同位素都是新的,以前从未研究过。该团队将不得不研究链中最终原子的化学性质,以证明它是镎,从而证明 113 号元素在其实验中短暂存在过,才能让 IUPAC 和 IUPAP 满意。
因此,元素周期表上 115 号和 113 号元素的位置是空白的——即使 112、114 和 116 号元素已获得正式批准。
理研最新的结果似乎回答了所有批评,因为这次他们的镎原子没有通过裂变衰变,而是吐出了一条由六个 α 粒子组成的链,这些粒子是众所周知的,并且在之前已经观察到过。“我想说这满足了 IUPAC 的所有要求,我很乐意把它交给他们,”英国利物浦大学研究超重元素的核物理学家罗尔夫-迪特玛·赫茨伯格说。
《自然》联系的其他研究人员则更为含糊。今年 1 月,杜布纳团队报告了 2010 年 11 月至 2011 年 3 月期间所做的工作,其中包括对镎最终产物的化学分析。
最终,命名权将取决于委员会的决定。去年拒绝了 113 和 115 号元素的技术委员会成员、宾夕法尼亚州匹兹堡卡内基梅隆大学的化学家保罗·卡罗尔表示,该小组现在将考虑两组的声明。没有人应该对快速解决抱有希望:去年的报告从实验到做出决定用了三年时间。但卡罗尔说,这是一个特殊的延迟,这次审查会更快。
在理研在首次声称观测到该元素的 2004 年发布的时事通讯中,建议将“理研”和“日本”作为 113 号元素(临时称为 ununtrium)的名称。根据 IUPAC 的说法,元素不能以研究所命名,因此“日本”似乎是首选。
与此同时,森田表示,日本的实验将于 10 月 1 日关闭,研究人员将转向下一个未被发现的元素——119 号和 120 号元素。追逐再次开始:德国达姆施塔特的 GSI 亥姆霍兹重离子研究中心的一个团队在过去五个月里一直在寻找 119 号元素,该项目的负责人克里斯托夫·杜尔曼表示,其成功率预计为“80-90%”。