扩展的元素周期表显示了,研究人员期望得到的第119号和120号元素。(图片来源:Marilyn Sargent/Berkeley Lab)
科学家一直热衷于追寻新的元素,他们想知道元素周期表的尽头在哪里?

撰文 | 王怡博
审校 | 二七

据美国劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)消息,当地时间7月23日,由伯克利国家实验室领导的一个国际团队在Nuclear Structure 2024会议上宣布,他们首次使用钛-50离子束(22个质子和28个中子)制造了第116号元素。 不过,116号元素的合成不是此次研究的目的。因为如果你翻开元素周期表,会看见这一名为𫟷(Lv)的超重元素就坐落在元素周期表的右下端。这不是一个新元素。2000年,由俄罗斯杜布纳联合原子核研究所(JINR)带领的团队使用钙-48(20个质子和28个中子)离子轰击锔(Cm,96个质子)制成的靶子,首次创造了116号元素。事实上,元素周期表第7行从104号开始的超重元素都是利用这种方式制造出来的。

这种制造元素背后的理论很简单:把两个原子砸在一起,让它们结合成一个更大的新原子。或者说,这就是数学计算。比如对于116号元素,理论上说,它可以用钙(20个质子)和锔(96个质子)合成,也能用钛(22个质子)和钚(94个质子)合成。不过,问题在于,两个原子核的融合,必须克服正电荷之间的静电排斥力,然而多数时候,质子之间的斥力会击败将原子核结合在一起的吸引力,而难以得到新的原子。

钙-48离子束已经身经百战,目前,通过钙-48轰击另一个靶标,已经将元素周期表扩展到了118号元素。这是在2006年实现的,不过第7行最后填上的元素是第117号元素,它于2010年通过钙-48离子束制得。但此后,科学家再没能得到新元素

在制造119号或120号元素时,如果继续使用钙-48离子束,那么靶标需要分别使用第99号(锿)和100号元素(镄)。这两种元素原本是在首次氢弹爆炸中发现的放射性元素,想要做成靶标需要一定数量的原子,但目前还没有人能够高通量制造锿和镄。因此,第118号元素成了钙-48离子束能制得的最重元素,而科学家也亟需寻找其他离子束来代替钙-48。

用钛-50轰击钚靶来制造第116号元素。(图片来源:Jenny Nuss/Berkeley Lab)

近些年,许多研究团队将目光投向了钛-50离子束。钛-50比钙-48多两个质子,中子数同样多,但稳定性较差,让科学家费了不少力气。如今,伯克利国家实验室带领的团队终于验证了这一技术的可行性。在伯克利国家实验室的88英寸回旋加速器中,通过用钛-50轰击钚靶,研究人员在持续22天的实验中观察到了两个𫟷原子的信号。接下来,他们终于可以推进制造119号及120号元素的计划了。

不过,伯克利国家实验室不是唯一一个追寻118号元素以外新元素的团队。2018年,日本理化学研究所(RIKEN)的核科学家用钒离子(23个质子)轰击锔靶,开始了合成第119号元素的研究。其次,俄罗斯联合原子核研究所也在追逐第120号元素。据《科学》新闻(Science news)报道,俄罗斯联合原子核研究所正尝试通过向锔靶发射铬离子(24个质子)来制造第120号元素。另外,根据俄罗斯联合原子核研究所网站上的最新信息,他们也很关注钛-50离子束,认为它对于合成新的超重元素非常重要。

值得一提的是,第116号元素虽是俄罗斯科学家发现,名字却是以美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的名字命名,这一实验室是锔靶的提供者。虽然美国与苏联在冷战时期开始了制造及命名新元素的竞争,这场元素之争延续的时间甚至比冷战还长。但不久,来自美国和俄罗斯的研究团队开展了长期合作,来制造新元素及探究其奇特的化学性质,为核科学的总体进步做出了巨大贡献。但据《化学世界》(Chemistry World)2023年10月的报道,美俄研究团队将各自追寻120号元素。谁将最终胜出?

随着二氧化碳增多,化学平衡向右移动受阻。(图片来源:Jenny Nuss/Berkeley Lab)

另外,如今元素周期表的第7行已被填满。如果第119号和第120号元素被发现,它们将被放在元素周期表的第8行。这又将如何改变元素周期表?


参考链接:
https://arxiv.org/abs/2407.16079
https://newscenter.lbl.gov/2024/07/23/a-new-way-to-make-element-116-opens-the-door-to-heavier-atoms/
https://www.science.org/content/article/u-s-back-race-forge-unknown-superheavy-elements
https://www.chemistryworld.com/news/berkeley-lab-to-lead-us-hunt-for-element-120-after-breakdown-of-collaboration-with-russia/4018207.article
https://www.chemistryworld.com/features/what-it-takes-to-make-a-new-element/1017677.article
https://www.jinr.ru/posts/information-of-jinr-directorate-on-current-situation/

作者 环球科学

《环球科学》杂志