作者：李兆滢

我们都听说过，宇宙始于大约138亿年前的大爆炸。在大爆炸之后，宇宙中充满了光子、夸克、电子和中微子等基本粒子。

随着宇宙的膨胀和冷却，一些基本粒子开始形成第一批元素：氢、氦，以及少量的锂。之后，在宇宙漫长的演化过程中，恒星核心的核聚变反应产生了如碳、氧等较轻的元素，而超新星爆发和双中子星并合等剧烈事件则合成了更重的元素。正是这些不同的物理过程，逐渐构建了我们今天看到的丰富多彩的元素周期表。

不仅如此，在过去的一百多年里，科学家通过人工合成还在不断地增加新的元素。目前，已知最重的元素是原子序数为118号的鿫（Og）。一个显而易见的问题是：我们能否创造出比它更重的元素？

2024年10月24日，一篇发表于《物理评论快报》的论文表明，研究人员采用了一种新方法，成功制造出了一种已知的超重元素，也就是原子序数为116的𫟷（Lv）。而这项研究之所以值得关注，是因为新方法为制造更重的120号元素带来了希望。

那么什么是超重元素，为什么制造它们这么难呢？

在元素周期表中，超重元素（Superheavy Elements）是指那些原子序数超过103的元素。由于这些元素在自然界中不存在，科学家必须通过实验室的核聚变反应来制造它们。

理论上，制造超重元素很简单。你只需要把两个较轻的原子核融合在一起，使他们的质子数（即原子序数）等于想要创造的超重元素的原子序数即可。例如，如果你想创造出116号元素，你可以尝试融合钙-48和锔-248的原子核，它们分别包含了20个质子和96个质子，20+96=116。

听起来很简单，但在实践中，制造超重元素却充满了挑战。通常，科学家会使用粒子加速器，用较轻的原子核组成的粒子束撞击由较重的原子核构成的靶。其目的是让两个原子核聚变，形成一种新的、更重的元素，比如𫟷或鿫。然而，两个原子核发生聚变的概率极低。为了制造一个超重元素，就需要向靶原子核发射数以亿计的粒子。即便成功制造出一个原子，它也会瞬间衰变为更轻的原子核，因为这些超重元素的原子核非常不稳定。因此想要研究超重元素就变得异常困难。

到目前为止，第114到118号元素，都是用钙-48粒子束轰击由锕系元素构成的靶制造出来的。钙-48具有20个质子和28个中子，这种同位素非常稳定，非常适合用来与靶发生核聚变反应，产生超重元素。不过，如果想要用钙-48产生第119或120的元素，则需要第99号元素锿（Es）和第100号元素镄（Fm）作为靶。但问题是，这两种元素极不稳定，半衰期比实验的时间还要短；同时，这些元素也非常稀有，科学家只能获得微克级别的少量样品，而实验用到的靶至少需要10毫克。所以，要制造出更重元素的唯一出路就是找到新的方法。

在新的研究中，物理学家试图用一种特殊的钛同位素——钛-50来制造超重元素。这种钛同位素很稀有，只占天然钛的5%左右。研究人员将一小块钛-50金属加热到近1700摄氏度。在这个极端温度下，钛不会融化，而是直接升华变成气体，就像干冰没有先变成液体而是直接变成气体一样。气化后的钛会进入到一个复杂的装置中，在那里，高能电子会与钛原子碰撞，轰击掉钛原子所包含的22个电子中的12个，使钛原子变成带正电的离子。如此一来，研究人员就可以通过磁铁来操纵这些离子，并让它们在回旋加速器中加速。

用钛-50轰击钚-224，研究人员创造出了116号元素。（图/Jenny Nuss/Berkeley Lab）

由钛离子构成的离子束会瞄准另一种重元素制成的靶。这次，研究人员尝试用钛-50来制造116号元素，𫟷（Lv）。所以，靶是由钚（Pu）制成的。这个靶比一张纸还薄，它会被不断旋转，这有助于分散持续轰炸产生的热量。每秒钟，大约有6万亿个钛离子撞击靶。而且钛离子的能量必须精准调控：如果太低，它们就没有足够的能量靠近靶原子核；如果太高，它们可能会摧毁靶原子核，使聚变过程失败。

最终，通过这个方法，研究人员成功的制造出了𫟷。这一成功也为合成更重的119号和120号元素奠定了基础。

通过新方法，或许可以制造出120号元素。（图/Jenny Nuss/Berkeley Lab）

研究人员尤其关注第120号元素，因为理论模型预测它可能接近’稳定岛’区域。在这个区域内，特定数量的质子和中子可以形成较为稳定的超重原子核。这并不意味着这些元素不会放射性衰变，而是相较于其他超重元素，它们的半衰期可能会延长数秒、甚至数分钟。所以，研究人员就有更多的时间去研究超重元素，从而帮助我们更好地探索原子核的极限，以及元素周期表的极限。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.172502

本文为科普中国•星空计划扶持作品

作者名称：李兆滢

审核：穆云松 中国人民大学化学与生命资源学院环境科学与工程系主任

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

来源: 星空计划

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