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一种创新的制造超重元素的方式,可能不久将为元素周期表新增一行,即为未来合成元素周期表中预测的最重元素——元素120奠定了基础,使科学家得以探索未知的原子领域。
通常来说,周期表上新合成的、人工制造的重元素过于“庞大”,往往导致其不稳定和转瞬即逝。科学家们努力将更多的质子和中子压缩在一起,以构建“超重”原子核——质子总数超过103的原子核——这样的元素越来越不稳定。
迄今为止,人类制造的所有超重元素几乎都是在刹那间衰变。然而,美国劳伦斯‧伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的研究人员通过粒子加速器合成这些重元素,现已向着神秘的“稳定岛”迈出了重要的一步。
该团队利用一种新方法成功合成了第116号元素“𫟷”(livermorium),该方法使用了钛-50(titanium),这是一种稀有同位素,约占地球上所有钛的5%。将这种钛加热至3,000华氏度并转化为高能粒子流,研究人员得以将这种粒子流对撞其它原子,从而创造出超重元素。
尽管𫟷以前已经用其它方法制造过,这种创新的方法为合成新的、更重的元素铺平了道路,进而有望扩充元素周期表。
“这项成就真正具有开创性。”未参与该研究的、日本理化学研究所(RIKEN)的研究员Hiromitsu Haba如此表示。他还指出,这一成就是“进一步发现新元素的必要条件”。这项研究成果已在7月的Nuclear Structure会议上发表,目前正在《物理评论快报》(Physical Review Letters)期刊进行同行评审。
超重元素融合的“简易”数学
位于伯克利实验室的88英寸回旋加速器(Cyclotron)是一种能产生电磁场的装置,它能推动原子核释放部分周边电子,并使其以高速撞向其它静止的原子。透过这些设备,合成超重元素的过程就变成了一道简单的数学题:要制造一个含有116个质子的元素,你需要将两个原子核融合,使它们的质子总和达到这个数字。然而,在核物理学领域,事情往往没有那么简单。
传统上,钙-48是制造超重元素融合反应的首选同位素,因为它具有“双重魔数”属性(doubly magic nature)。原子核被电子轨道构成的壳所环绕;当原子核拥有能完全填满一个轨道壳的“魔数”质子或中子时,它们会非常稳定,若同时拥有这两种粒子的“双重魔数”则稳定性更是出众。但钙48的质子数较少,这限制了它合成更重元素的能力。
与钙-48(Ca-48,有20个质子)能结合的最重稳定元素是锔(curium,有96个质子),最终形成了“𫟷”元素(116个质子)。尽管钙-48和更重的锫(berkelium,有97个质子)已被用来合成元素117,但锫“极其难以制造”。并未参与这项新研究的、密歇根州立大学稀有同位素束设施的首席科学家Witold Nazarewicz表示,“如果我们想要制造更多更重的元素,我们需要一个比钙-48含有更多质子的粒子流。”
为了制造这样的粒子流,研究团队转而使用钛-50,试图将其与钚(plutonium)融合,以制造𫟷元素。“在进行这项实验之前,没有人知道使用钛来制造物质会是容易还是困难。”伯克利实验室重元素小组组长及该研究的主要作者Jacklyn Gates强调。
不同于稳定性极高的“双重魔数”钙-48,钛-50并不具有魔数特性,也缺乏极端的稳定性。它的熔点几乎是钙的两倍,这使得处理它更加困难。钛-50原子较低的稳定性使其即便发生碰撞也很难成功融合。“这就像是每天看到一个合成原子,与每十天甚至更久才看到一次的差别。”Gates解释道。尽管面临这些挑战,钛-50仍被视为下一个最佳选择,因为它提供了超出钙所能达到的创造超重元素的可能性。
当同位素准备就绪,回旋加速器开始运作后,接下来就是漫长的等待。不断地将钛粒子流对准铀(uranium)目标进行轰击,两个原子核之间发生任何碰撞的概率极低。“如果你将一个原子放大到足球场那么大,原子核就像是一颗豌豆。”Gates说,“我们每秒射出六万亿个钛粒子对准目标,只是为了有机会撞到原子核。”
高强度的粒子轰炸和成功碰撞的罕见性,导致合成出可测量的𫟷需耗时22天。
探索“稳定岛”
钛-50的成功应用在超重元素合成领域取得了显著进展。这项实验不仅证明了该技术基本上是可行的,还提供了关于钛-50粒子束“截面”的重要数据。(所谓“截面”,是指在两粒子碰撞时,根据碰撞能量,某特定结果发生的概率。)
在这个基础上,下一个野心勃勃的目标是利用钛-50进行融合,创造出元素120,这需要与“锎”元素(californium)进行碰撞。元素120将成为迄今合成的最重元素,也是周期表第八行的首个元素。根据某些模型,这种元素也应该相对寿命较长,成为人们长期追寻的“稳定岛”的起点。尽管理论模型对于钛基合成所需的精确能量提供的确定性不多,但这些初步结果提供了宝贵的洞见。
“(这项研究)获得了截面的实验数据,现在我们知道哪个(理论)模型最为可靠。”Nazarewicz解释说。Hiromitsu Haba则补充说:“我们正在探索极端环境下的原子核,这在理论上仍然难以预测……然而,我们没有任何理由认为元素120不能用这种方法合成。”
尽管创造这种新元素可能还需数年时间,但这一潜在的发现有望为电子壳层和周期表提供新的见解,这对核物理学、材料科学等领域可能具有重大意义。“你将进入(电子的)g轨道。”Gates表示,他指的是一种理论上的新电子配置,这是前所未有的。“这如同开启了化学的一个崭新领域。”
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