开拓元素周期表：那些超重元素是怎么做出来的？

昵称535749 2016-08-08

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Katrina Kr?mer 发表于昨天14:29

现在，元素周期表已经和很多人当年在中学课本上见到的模样大不相同。随着科学家们的努力，原本残缺的第七行已经被一个个名字古怪的超重元素填满。这些元素周期表上的新成员是实验室里转瞬即逝的人造品，是科学家们费力“撮合”的产物，它们到底是怎么合成出来的？

怎么做个新元素？

（绅士西格玛/译）制造超重元素的基本理论就是，将两个预先选择好的原子核结合到一起，让它们加起来正好能包含你所希望制造的超重元素质子数。比如说，为了制造含有115个质子的新元素“moscovium”，科学家们就把钙（20个质子）与镅（95个质子）结合到了一起。但是——可能你已经猜到了——实际过程可没那么简单。

杜布纳联合原子核研究所（俄罗斯）的科学家在同步加速器器前工作，这是捕获超重元素的关键设备之一。图片来自：Joint Institute for Nuclear Research

核聚变仅发生在极端条件下，例如在太阳的核心。为了让原子核结合，我们不得不克服原子核之间因为带正电的质子而产生的静电斥力。在实验室中，这意味着我们要让其中一个原子核加速到相当高的能量（大约10%的光速），然后让它轰击另一个原子核（靶原子核）。

当加速过的原子核撞击靶原子核，大多数时候它们会立刻分开，但极少数时候（非常，非常偶尔），两个原子核会聚合到一起。这是个小概率事件，而且要造的元素越大，融合起来越困难。

这是因为，能对抗电磁力、将原子核里的质子和中子拉到一起的力（强核力）虽然强大，但它的作用距离却很短。你尝试塞进一个原子核的质子和中子越多，就越有可能是电磁力的排斥作用胜出，使得原子核被撕裂。

科学家尝试变换各种“子弹”和“靶子”原子的组合，并对它们进行连续好几个月的融合试验，但最终能检测到的新元素往往只有寥寥数个原子——假如确实有的话。

即使碰撞创造出了新元素，它通常也非常不稳定，一瞬间就会裂变。富含中子的起始同位素能够阻止这一进程的发生。它们能够帮助稳定新生成的元素，让原子核通过中子发射的方式散发能量。

元素生产线

生产人造元素，你需要一个离子源，一个回旋加速器来加速这些离子，一个接受轰击的“标靶”，以及分离器和检测器。美国劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的回旋加速器每一秒会输出大约10¹⁴个高度带电状态的离子（例如Ca¹⁰⁺，这种超高价离子损失了相当多的电子）,并把它们加速到大约30000千米/秒。

离子束从回旋加速器飞出，迎头撞上一个高速旋转的“标靶”圆盘。旋转圆盘是非常重要的——假如不转动，高能离子流很快就会在上面烧出一个洞。

圆盘上有作为“靶子”的起始元素。

在“标靶”之后，电磁分离器会从数以百万计的的碰撞中分离出新产生的元素。分离器的工作原理类似质谱仪——调整好的磁场只会让我们所需的特定荷质比的粒子通过。能顺利通过分离器过滤的粒子，接下来就会到达检测器了。

新元素那么短命，怎么确定它真的诞生了？

这些新元素可能不会存在多久，不过当它们衰变时，会有一个特征性的模式。大多数超重元素会发出α粒子（也就是氦原子核）。每一次α衰变会导致2个质子和2个中子从原子核中分离，残留下来的更轻的原子核还将进行新一轮衰变。这样一来，元素就产生了一条独特的“衰变链”。

科学家正在研究117号元素的衰变链

然而，这些原子经常会衰变成某种已知元素的未知同位素，这些新同位素的衰变链也是未知的。因此，研究者们还要合成这些同位素，观察它们的衰变链，然后再与新元素聚变实验的数据进行匹配。

当科学家们合成出至少若干个新元素原子时，他们会把发现提交到国际纯化学和应用化学联合会（IUPAC）。接下来，在IUPAC正式确认之前，另一个实验室还会对这些实验进行重复。

我们能造出更稳定的元素吗？

大多数超重元素非常不稳定，科学家们连造出能坚持几分钟的超重元素都不太可能。不过自从1960年代开始，科学家们就预测，一些超重元素同位素会有比其他同类大出好几个数量级的半衰期，这就是所谓的“稳定岛”。

科学家认为，原子核也像核外的电子一样，由不同能级的“壳层”组成。特定数量的质子和中子将形成一个特别稳定的原子核，这样的特定数目被称为“幻数”。一个同时拥有幻数质子和幻数中子的原子核就是“双幻核”。

与其他设备相比，检测器是个头较小的部分。

究竟都有哪些数字是“幻数”？现在对此所知还不是很多，不同的计算方式会得出不同的结果。不过，有证据表明184是一个中子的幻数。正在研究114号元素??（flerovium）同位素的研究者已经发现，随着同位素中子数增加，半衰期也会延长。而到目前为止，人工合成最重的同位素??-289依然与幻数差了9个中子。