宇宙中最重的元素是什么?有無(wú)數(shù)種元素嗎?超重元素在哪里以及如何自然產(chǎn)生?

已知最重的元素是鈾，質(zhì)子數(shù)為 92(原子序數(shù)為“Z”)。但科學(xué)家已成功合成超重元素，最高可達(dá)鉈，其原子序數(shù)為 118。緊隨其后的是鉈，質(zhì)子數(shù)為 116;鉈，質(zhì)子數(shù)為 117。

所有元素的半衰期都很短，即元素原子的一半衰變所需的時(shí)間，通常不到一秒，有些甚至短至一微秒。制造和檢測(cè)這些元素并不容易，需要強(qiáng)大的粒子加速器和精密的測(cè)量。

但生產(chǎn)高 Z 元素的典型方法已達(dá)到極限。為此，一組來(lái)自美國(guó)和歐洲的科學(xué)家想出了一種超越現(xiàn)有主導(dǎo)技術(shù)的超重元素生產(chǎn)新方法。他們的研究成果在加州勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室完成，發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。

勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的 JM Gates 及其同事在論文中寫(xiě)道：“如今，‘穩(wěn)定島’的概念仍然是一個(gè)有趣的話題，其在塞格雷圖上的確切位置和范圍仍然是理論和實(shí)驗(yàn)核物理學(xué)界積極研究的課題。”

穩(wěn)定島是一個(gè)區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域中，超重元素及其同位素(質(zhì)子數(shù)相同但中子數(shù)不同的原子核)的半衰期可能比其附近的元素長(zhǎng)得多。預(yù)計(jì) Z=112 附近的同位素會(huì)出現(xiàn)這種情況。

雖然目前已有多種技術(shù)來(lái)發(fā)現(xiàn)超重元素并創(chuàng)建其同位素，但最有成效的方法之一是用鈣原子束轟擊錒系元素的目標(biāo)，具體來(lái)說(shuō)是鈣的同位素48-鈣 ( 48 Ca )，它有 20 個(gè)質(zhì)子和 28 (48 減 20) 個(gè)中子。錒系元素的質(zhì)子數(shù)從 89 到 103，而48 Ca 的特殊之處在于它的質(zhì)子和中子數(shù)均為“神奇數(shù)字”，這意味著它們的數(shù)量完全填滿了原子核中可用的能量殼層。

質(zhì)子和/或中子數(shù)為神奇數(shù)意味著原子核極其穩(wěn)定;例如，48 Ca 的半衰期約為 600 億億(6 x 10 19)年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于宇宙的年齡。(相比之下，49 Ca 只多一個(gè)中子，在大約 9 分鐘內(nèi)衰變一半。)

這些反應(yīng)被稱為“熱聚變”反應(yīng)。另一種技術(shù)是將 50 鈦到 70 鋅的同位素束加速到鉛或鉍的目標(biāo)上，這被稱為“冷聚變”反應(yīng)。通過(guò)這些反應(yīng)發(fā)現(xiàn)了高達(dá) oganesson (Z=118) 的超重元素。

但生產(chǎn)新的超重元素所需的時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，有時(shí)需要數(shù)周時(shí)間才能完成，而生產(chǎn)新超重元素所需的時(shí)間是通過(guò)反應(yīng)截面來(lái)量化的，反應(yīng)截面可以測(cè)量超重元素的發(fā)生概率。由于距離預(yù)測(cè)的穩(wěn)定島如此之近，科學(xué)家們需要比銪更進(jìn)一步的技術(shù)。锿或鐨本身就是超重元素，因此無(wú)法充分生產(chǎn)出合適的靶。

蓋茨和他的團(tuán)隊(duì)寫(xiě)道：“我們需要一種新的應(yīng)對(duì)方法。”而這正是他們發(fā)現(xiàn)的。

原子核的理論模型已成功預(yù)測(cè)了使用錒系元素靶和 48-鈣同位素束在銪系以下產(chǎn)生超重元素的速率。這些模型還認(rèn)為，要產(chǎn)生 Z=119 和 Z=120 的元素，50-鈦束效果最好，具有最高的截面。

但理論家們并未確定所有必要參數(shù)，例如光束的必要能量，實(shí)驗(yàn)人員還未測(cè)量模型所需的某些質(zhì)量。確切的數(shù)字很重要，因?yàn)榉駝t超重元素的生產(chǎn)率可能會(huì)有很大差異。

已經(jīng)嘗試過(guò)幾次實(shí)驗(yàn)，試圖產(chǎn)生質(zhì)子數(shù)從 119 到 122 的原子。但所有實(shí)驗(yàn)都不令人滿意，它們確定的截面極限不允許不同的理論核模型受到約束。蓋茨和他的團(tuán)隊(duì)通過(guò)將 50-鈦照射到 244-Pu(钚)靶上，研究了鉈(Z=116)同位素的產(chǎn)生。

該團(tuán)隊(duì)利用勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的 88 英寸回旋加速器，產(chǎn)生了平均每秒 6 萬(wàn)億個(gè)鈦離子從回旋加速器射出的離子束。這些離子在 22 天內(nèi)撞擊了圓形面積為 12.2 厘米的钚靶。通過(guò)一系列測(cè)量，他們確定 290-Livermorium 是通過(guò)兩種不同的核衰變鏈產(chǎn)生的。

他們總結(jié)道：“這是首次報(bào)道使用 48-鈣以外的束流在預(yù)測(cè)的穩(wěn)定島附近生成超重元素 (SHE)。”反應(yīng)截面或相互作用概率確實(shí)有所下降，這與較重束流同位素的預(yù)期一致，但“這次測(cè)量的成功證實(shí)了發(fā)現(xiàn)新的超重元素確實(shí)是在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)。”

這次發(fā)現(xiàn)代表著非魔核碰撞首次顯示出產(chǎn)生其他超重原子和同位素(兩者皆有)的潛力，希望為未來(lái)的發(fā)現(xiàn)鋪平道路。已知存在約 110 種超重元素同位素，但預(yù)計(jì)還有 50 種同位素存在，等待通過(guò)此類新技術(shù)發(fā)現(xiàn)。