超重元素正在打破元素周期表

在元素周期表的末端是一个一切都显得不寻常的领域。这里的元素，从原子序数 104（钌）开始，从未在自然界中被发现。事实上，它们断然不希望存在。它们的原子核充满了质子和中子，在被创造出来后的瞬间，就会通过裂变或放射性衰变自我瓦解。

这些就是超重元素：在钌之后是𨧯、𨭎、𨨏和其他怪异的元素，一直到有史以来创造的最重元素，Og，118号元素。人类仅仅制造出了极其微量的这些元素。截至2020年，在实验室首次成功创造出Og后的18年里，科学家们报告总共制造了五个Og原子。即使他们能够制造更多，它也永远不会是你可以用手拿着的那种物质——Og的放射性太强了，它与其说是物质，不如说是热量。

研究人员正在使用超快、一次一个原子的方法开始探索元素周期表的这个未知的区域，并发现它像任何中世纪制图师的想象一样奇幻。在化学的这片未知的海岸线上，原子具有许多奇怪的特性，从南瓜形的原子核到电子紧密地束缚在原子核上，以至于它们受到相对论规则的约束，这与围绕黑洞运行的物体没什么不同。

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它们的性质可能会揭示更多关于在超新星和中子星合并等大规模天体物理现象中产生的原始元素的信息。但更重要的是，研究这种奇异物质可能有助于科学家理解自然界中普遍存在的更典型的物质。随着研究人员越来越擅长确定和测量这些原子，他们正在推动我们组织物质方式的界限。

“元素周期表是某种基本的东西，”密歇根州立大学稀有同位素束设施的理论核物理学家和首席科学家维托尔德·纳扎雷维奇说。“这个概念的极限是什么？原子物理学的极限是什么？化学的终点在哪里？”

在劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）的1号洞穴，一条混凝土砌块走廊的墙壁上，距离世界上少数几个可以制造超重原子的仪器仅几步之遥，贴着一张海报大小的表格，该表格按核素组织元素，即基于原子核中质子和中子的数量。这张图表显示了所有关于元素核结构和衰变以及它们的同位素（元素的变化形式，原子核中质子数相同但中子数不同）的已知信息。

这是一份活的文件。标题中有一个错别字，海报边缘有胶带固定的撕裂痕迹。海报上用记号笔做了标记，是在2006年海报印刷后添加的。这些标记是原子物理学版本的航海者在航行中标记新岛屿，但在这里，这些岛屿是元素的同位素，这些元素太重了，只能在像这里这样的粒子加速器中看到。在一个可能需要一周时间才能制造出一个你想要的原子领域的记录进展至关重要。

“每个人都喜欢手写的部分，”领导LBNL重元素小组的杰克琳·盖茨说。“如果我们从2023年打印出来——”

“就没那么有趣了，”实验室的 staff scientist 詹妮弗·波尔插话道。

“就没那么有趣了，”盖茨同意道。

盖茨是一位核化学家，她带着一丝幽默感，并且对她和她的团队开发的合成超重元素的设备表现出明显的喜爱。他们通过在位于伯克利市上方山坡上的实验室中的一个直径2.2米的 cyclotron（一种鼓状粒子加速器）中将标准尺寸的原子撞击在一起，来制造这些元素。Cyclotron 的建造始于1958年，当时第一次核弹爆炸的放射性尘埃开始以镄（原子序数 100）等新放射性元素的形式出现。最初的 cyclotron 的大部分至今仍然存在；在控制室中，银色的刻度盘，放在冷战时代的惊悚片中也毫不违和，与1980年代的米色面板和现代更新的蓝色按钮组并排而坐。

第一个超重元素钌是在1969年在这里合成的。钌以欧内斯特·卢瑟福的名字命名，他帮助解释了原子的结构，几年前，俄罗斯杜布纳联合核研究所（JINR）也制造出了钌，该研究所也是2002年首次创造出 Og 的团队（以领导创造该元素的团队的尤里·奥加涅相的名字命名）。从1950年代后期开始，添加新元素的竞争比用于制造它们离子束还要激烈。如今，关于谁先合成出什么元素的激烈争论，主要发生在伯克利实验室和 JINR 之间，被人们铭记为转移元素战争。

到1980年代，德国核研究机构 Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI)，或重离子研究协会也加入了这场争夺。数字不断攀升，三个团队轮流获得命名权，直到 1996 年发现的 copernicium（112 号元素，以尼古拉斯·哥白尼的名字命名）。关于超重元素的争议仍在继续；1999 年，LBNL 的研究人员宣布发现了 116 号元素，现在以劳伦斯利弗莫尔国家实验室的名字命名为 livermorium，但后来在发现他们的一位科学家伪造了证据后撤回了该声明。（JINR 在 2000 年成功制造了 livermorium。）2004 年，日本的理化学研究所（RIKEN）合成了 113 号元素 nihonium，以日语中“日本”一词命名。虽然 118 号元素是有史以来合成的最重元素，但最近发现的实际上是 117 号元素，tennessine，这是 JINR 在 2010 年宣布的。发现背后的科学家们为了纪念田纳西州，将其命名为 tennessine，田纳西州是几家在实验中发挥作用的机构的所在地。

“原子物理学的极限是什么？化学的终点在哪里？”
——维托尔德·纳扎雷维奇，密歇根州立大学

创造越来越重的元素的竞赛至今仍在继续，这不仅仅是因为成功的科学家可以为元素周期表中的新元素命名。这也是因为理论家预测，某些质子和中子的组合可能会落入“稳定岛”，在那里，这些元素将立即停止衰变。“一些理论预测半衰期为一年，或 100 或 1,000 天，”理化学研究所核化学组物理学家兼主任羽場宏光说，该研究所目前正在寻找 119 号元素。

如此长的半衰期足以进行严肃的实验，甚至可以在新技术中使用。然而，目前对超重元素的研究侧重于它们的基本特性以及它们可以揭示的核动力学，而不是它们作为材料本身可以做什么。但这并不意味着它们最终不会变得有用。

“我们现在所做的一切……都没有实际应用，”盖茨说。“但是，如果你看看你的手机以及所有投入其中的技术——这项技术可以追溯到青铜时代。人们不知道这会产生我们都沉迷于且完全依赖的这些设备。那么超重元素会有用吗？也许不是在我这一代，而是在下一代或下两代，当我们拥有更好的技术并且可以更容易地制造这些东西时。”

制造这些元素远非易事。研究人员通过将重离子束（在这种情况下，是没有电子的大原子核）射向目标材料来实现这一点，希望克服两个带正电荷的原子核之间的静电斥力，并迫使它们融合。在 LBNL，离子束的来源是一种名为 VENUS（“用于核科学的多功能电子回旋共振离子源”）的设备，该设备位于 cyclotron 的顶部，围栏上装饰着辐射警告标志。在 VENUS 内部，微波和强磁场的组合将选定元素（在盖茨的实验中通常是钙或氩）的电子剥离。由此产生的离子向下射入通往 cyclotron 的管道，cyclotron 将离子以螺旋形扫过，加速离子束。

控制室的技术人员使用静电力将离子束从 cyclotron 中引导出来，进入“洞穴”中的仪器，这些洞穴是像轮辐一样从 cyclotron 中延伸出来的低矮走廊。洞穴包含束流目标；1号洞穴中的目标是一块薄金属箔，直径约为沙拉盘大小。目标物旋转，因此离子束不会长时间击中任何一个点。盖茨说，当受到高速离子轰击时，它们会熔化。

目标的构成取决于研究人员想要在最终产品中获得多少质子。例如，为了制造 flerovium（114 个质子，以俄罗斯物理学家格奥尔基·弗廖罗夫的名字命名，他是 JINR 的创始人），他们需要用钙（20 个质子）撞击 plutonium（94 个质子）。为了制造 118 号元素 oganesson，科学家们用钙束轰击 californium（98 个质子）。他们可以往离子束中填充的中子越多，他们最终就可以往最终产品中塞进的越多，从而制造出更重的同位素。

大多数时候，离子束直接穿过目标，而没有任何核相互作用。但是，每秒有 6 万亿个束流粒子掠过目标，最终的核-核碰撞是不可避免的。当条件恰到好处时，这些堆积物会将原子核挤压在一起，从而创造出一个非常短暂的新的超重原子，其移动速度接近每秒 60 万米。

为了减慢这些高速重物的速度，研究人员使用氦气和电场将粒子引导到一个陷阱中进行测量。他们还可以泵入其他气体，以观察超重元素在衰变之前会发生什么样的化学反应。但只有当元素持续足够长的时间时，这才是可行的，GSI 超重元素化学研究组负责人克里斯托夫·E·杜尔曼说。为了进行和研究化学反应，研究人员需要半衰期至少为半秒的元素。

科学家们通过测量超重元素及其反应产物在 alpha 衰变（释放出两个质子和两个中子的束）期间释放出的能量来对其进行量化。在 LBNL 的一个名为 Shack 的房间里，研究人员焦急地等待数据点，这些数据点显示了这些 alpha 衰变粒子在探测器内部的落点；它们的轨迹揭示了原始原子的组成以及它们所经历的任何反应的信息。波尔说，很难想象化学实际上会发生：“这几乎感觉它存在于其他地方。”

研究人员在化学上研究过的最重元素是 flerovium (114)——在化学实验所需的数量和持续时间内可以创造出的最重元素。杜尔曼说，科学家们可以以每天约三个原子的速度生产 flerovium。“一个典型的实验需要大约一个月的总运行时间，”他说。“并非每个产生的原子都会到达你的化学装置，也并非每个到达你的化学装置的原子最终都会被检测到。”

然而，几个原子可以揭示很多信息。在 flerovium 合成之前，一些理论预测它可能像惰性气体一样——惰性且无反应性——而另一些理论则认为它可能像金属，特别是汞一样。2022 年在期刊 Frontiers in Chemistry 上发表的关于该元素的实验表明了一些更奇怪的事情。在室温下，flerovium 与金形成强键，这与惰性气体非常不同。它还在液氮温度（-196 摄氏度）下与金结合。然而，奇怪的是，在介于这两个温度之间的温度下，该元素不会发生反应。

Oganesson 在元素周期表中与惰性气体归为一类，但研究人员认为它既不是惰性的也不是气体。根据 2020 年在 Angewandte Chemie 上发表的研究，它在室温下可能是一种固体，并在 52 摄氏度左右过渡到液体。新西兰梅西大学的理论化学家、2020 年论文的资深作者彼得·施韦特费格说，这样的例子有很多。

这些奇怪特性的原因与电子有关。电子在被称为壳层的特定能级轨道上绕原子核运行，每个壳层可以容纳特定数量的电子。外壳层中的电子（那里可能没有足够的电子来完全填充壳层）负责与其他原子形成化学键。每个壳层表面上代表着到原子核的特定距离，尽管该壳层中电子轨道的实际路径（称为轨道）通常远非简单的圆形，而可能更像哑铃、甜甜圈、泪滴或其他形状。（根据量子力学，这些轮廓仅仅代表如果被实际测量固定下来，电子可能存在的位置。否则，电子主要存在于原子核周围某个地方的概率雾中。）

随着原子核变得越来越重，原子核附近的电子感受到来自那里大量正电荷的极端拉力，将它们拉得更近并减少了它们可以移动的空间。由于不确定性原理指出，粒子的位置和速度不能同时精确地知道，因此电子活动空间的减少意味着它们的速度必须通过一种基本物理定律的跷跷板效应来增加。很快，电子以接近光速的速度运动。正如爱因斯坦的狭义相对论所表明的那样，以如此快的速度运动的物体会获得质量并变得奇怪。* 特别是，围绕超重原子核的最低能量状态（最内层壳层）的电子轨道倾向于收缩，从而在更靠近原子核的地方产生更高的电子密度，施韦特费格说。这些变化被称为相对论效应。

这些效应甚至出现在元素周期表的天然元素中。金是黄色的，因为相对论效应缩小了其两个电子壳层之间的间隙，略微改变了元素吸收和反射的光的波长。然而，相对论效应通常在大多数轻元素的化学行为中不起很大的作用。这就是为什么元素周期表中元素的顺序是基于每个元素原子核中的质子数。这种排列方式旨在将具有相似化学性质的物质归为一类，这些化学性质主要由外壳层中可用于化学键的电子数量决定。

“元素周期表应该告诉你化学趋势是什么，”LBNL 的波尔说。对于较重的元素，相对论效应开始占主导地位，情况并非一定如此。在 2018 年发表在期刊 Physical Review Letters上的研究中，施韦特费格和他的同事发现，由于相对论效应，oganesson 的电子云看起来像一大片模糊的污迹，壳层之间没有明显的区别。

即使在超重元素领域之外，化学家们也在争论元素周期表中某些元素的位置。自 2015 年以来，国际纯粹与应用化学联合会的一个工作组一直在仲裁关于哪些元素应该放在表格第三列的争论：lanthanum 和 actinium（57 和 89 号元素）还是 lutetium 和 lawrencium（71 和 103 号元素）。争论的焦点是不听话的电子：由于相对论效应，绕这些元素运行的最外层电子并不在元素周期表上应该在的位置。经过九年的官方审议，对于如何对这些元素进行分组仍然没有达成共识。此类问题在表格的较重端只会变得更加紧迫。“我们正在尝试探测这种组织何时开始崩溃，以及元素周期表何时开始不再有用，”盖茨说。

电子的舞动不仅可以让我们了解化学的极限，还可以让我们窥视极端条件下原子核的动力学。在充满质子和中子的原子核中，这些粒子之间的相互作用通常会将形状扭曲成与你在原子图中看到的刻板印象球体不同的形状。GSI 的物理学家迈克尔·布洛克说，迄今为止探测到的大多数超重元素的原子核都是长方形的，形状像橄榄球。从理论上讲，尚未合成的更重的元素可能具有像飞碟甚至气泡一样的原子核，中心有空隙或低密度点。科学家们通过测量电子轨道中微小的变化来“看到”这些形状，这些变化会受到原子核中正电荷排列的影响。“这使我们能够了解原子核的大小和原子核的形状，”布洛克说。

原子核的布局是任何人是否能够合成出能够长期存在的超重元素的关键。某些数量的质子和中子（统称为核子）被称为幻数，因为具有这些数量的原子核可以特别好地结合在一起。与电子一样，核子也占据壳层，这些幻数代表完全填充核子壳层所需的数量。稳定岛是研究人员希望在尚未发现的超重元素或同位素中找到的，这将是“双幻数”的结果——理论上理想的质子和中子数量。

是否存在这样的东西是一个悬而未决的问题，因为重原子核可能会自我瓦解，而不是容忍所需的核子数量。“裂变是杀手，”M.S.U. 的纳扎雷维奇观察到。

与 alpha 衰变（相对）逐渐削减原子核不同，核裂变是一种突然且彻底的解体。不同的模型对在裂变变得不可避免之前可以塞进原子核中的粒子数量给出了不同的预测，纳扎雷维奇说。理论家们正在努力确定这个极限，以了解原子核真正能变得有多大。

纳扎雷维奇指出，在原子核可以承受的边缘存在一个有趣的临界空间。为了被宣布为元素，原子核必须存活至少 10^–14 秒，这是电子附着并形成原子的时间。但从理论上讲，核寿命可能短至 10^–21 秒。他说，在这个无限小的间隙中，你可能会发现没有电子云、无法进行化学反应的原子核。

“元素周期表已经随着最重的元素而崩溃，”纳扎雷维奇说。问题是，你会在哪里完全打破化学？了解超重元素的另一种方法是在太空中寻找它们。比铁（原子序数 26）重的元素在自然界中是通过一种称为快速中子捕获的过程形成的，这种过程通常发生在灾难性事件中，例如两颗中子星的碰撞。

GSI 的天体物理学家加布里埃尔·马丁内斯-皮内多说，如果超重元素曾经在宇宙中自然产生，它们也是通过这个过程产生的。在快速中子捕获中，也称为 r-过程，一个种子核捕获附近的自由中子，迅速增加质量以制造重同位素。这必须发生在自由游荡的中子充足的环境中，这就是为什么中子星合并是机会之地。

2017 年，科学家们首次通过探测相互作用产生的引力波观测到中子星合并。“这是第一个证实 r-过程确实发生在中子星合并期间的证据，”马丁内斯-皮内多说。研究人员在合并中检测到了镧系元素（原子序数 57 至 71）的同位素，但正如他们在当时的 Nature 中报告的那样，无法缩小存在的确切元素范围。探测任何超重元素将更加棘手，因为研究人员需要知道这些元素发射和吸收的独特光波长，并从马丁内斯-皮内多称之为来自这些事件之一的“复杂元素汤”中挑选出来。

然而，在 2023 年 12 月，天文学家在期刊 Science 上报告说，在一些恒星中存在过量的几种较轻元素——钌、铑、钯和银。这些元素可能被过度表示，因为它们是重元素或超重元素通过裂变分解的结果。这些发现暗示，原子核中可能形成多达 260 个质子和中子的核，通过 r-过程。

马丁内斯-皮内多说，即使在中子星合并中产生的超重元素迅速衰变，了解它们的存在也将有助于科学家撰写宇宙中物质的历史。新的天文台，如詹姆斯·韦伯太空望远镜和即将建成的智利薇拉·C·鲁宾天文台，应该能够看到其他能够创造超重元素的宇宙事件。“而且，将会有新的引力波探测器，这将使我们能够看到更大的距离和更高的精度，”他补充道。

在密歇根州的稀有同位素束设施中，一种新的高能束有望通过将比以往任何时候都更多的中子塞入同位素中，从而进一步深入了解 r-过程。这些不是新的超重元素，而是轻元素的增强版本。2 月，研究人员在期刊 Physical Review Letters 上报告说，他们仅使用其束流最终计划功率输出的 270 分之一就创造出了 thulium、ytterbium 和 lutetium 的重同位素。在更高的功率水平下，他们应该能够制造最终衰变成较重稳定金属（如金）的同位素。“这可能为天体物理学的一些有趣的同位素提供途径，”M.S.U. 的物理学家和该研究的合著者布拉德·舍里尔说。

与此同时，世界各地的其他科学家也在寻求增强他们的离子束和目标，以超越 118 号元素。此外，他们还在提高捕获和测量这些元素的精度。稀有同位素束设施的研究人员计划将其区分粒子的能力提高 10 倍。GSI 即将拥有用于超重元素合成的下一代加速器。在 LBNL，盖茨和她的团队正在安装仪器，以更高精度测量单个原子的质量。

这些新工具应该进一步揭示极端条件下化学的轮廓。“当我们进行超重化学时，”梅西大学的施韦特费格说，“我们到处都看到惊喜。”

*编者注（7/9/24）：此句子在发布后经过编辑，以更正对爱因斯坦狭义相对论的引用。