極端化學(xué)：元素周期表邊緣的實(shí)驗(yàn)

編譯 博衍

隨著新元素探索的腳步放緩，科學(xué)家們將工作重點(diǎn)放在加深對(duì)已知超重元素的理解上。

如果你想創(chuàng)造世界上下一個(gè)未被發(fā)現(xiàn)的元素——元素周期表中的第119號(hào)元素，下面的方法也許能夠助你一臂之力。首先，取出幾毫克锫，這是一種稀有放射性金屬，只能在專用核反應(yīng)堆中制造出來(lái)；然后用鈦離子束轟擊樣品，其速度大概需達(dá)到光速的1/10。堅(jiān)持一年左右，要有耐心，而且要非常有耐心。鈦離子每轟擊锫靶1018次——大約一年的射束時(shí)間——可能會(huì)產(chǎn)生1個(gè)第119號(hào)元素的原子。

在這種罕見(jiàn)的情況下，鈦和锫的原子核會(huì)發(fā)生碰撞并合為一體，碰撞的速度超過(guò)了它們的電斥力，從而創(chuàng)造出地球上甚至宇宙中從未見(jiàn)過(guò)的物質(zhì)。但新的原子會(huì)在大約1/10毫秒內(nèi)分解。在衰變過(guò)程中，它會(huì)爆發(fā)α粒子和γ射線，落在放置于锫靶周圍的硅探測(cè)器上，從而證明轉(zhuǎn)瞬即逝的第119號(hào)元素的確存在過(guò)。

研究人員已經(jīng)開(kāi)展過(guò)該實(shí)驗(yàn)。2012年，德國(guó)的化學(xué)家花了數(shù)月時(shí)間對(duì)其進(jìn)行研究，但最終一無(wú)所獲。日本科學(xué)家曾嘗試過(guò)其他的光束和標(biāo)靶組合；他們還曾與和俄羅斯的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)合作，共同尋找第120號(hào)元素，但運(yùn)氣欠佳。

擴(kuò)展元素周期表的努力還未結(jié)束，但正在慢慢停止。自從俄國(guó)化學(xué)家門捷列夫在150年前首次發(fā)表元素周期表以來(lái)，研究人員一直在以平均每2～3年增加一種元素的速度往周期表中添加元素。在發(fā)現(xiàn)了所有自然存在的穩(wěn)定元素后，研究人員開(kāi)始創(chuàng)造元素，如今已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了第118號(hào)元素。盡管他們?nèi)匀幌Ｍ业礁嘣?，但同時(shí)也一致認(rèn)為，發(fā)現(xiàn)第120號(hào)之后的元素的前景不容樂(lè)觀。加州勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究重元素化學(xué)的杰克林·蓋茨（Jacklyn Gates）表示：“在新元素合成方面，我們已經(jīng)到了回報(bào)遞減的階段，至少以我們目前的技術(shù)水平來(lái)看是這樣?！?/p>

因此，在元素周期表邊緣進(jìn)行的研究正在轉(zhuǎn)移人們的注意力?？茖W(xué)家們不是去尋找新的元素，而是重新加深對(duì)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的超重元素的理解。粗略地說(shuō)，超重元素就是那些原子序數(shù)超過(guò)100的元素。通過(guò)研究這些元素的化學(xué)性質(zhì)，可以看出質(zhì)量最大的元素是否遵循元素周期表的組織規(guī)則。周期表則根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的周期性重復(fù)模式，將具有相似性質(zhì)的元素歸為同一家族。盡管最重的元素在轉(zhuǎn)瞬之間發(fā)生衰變，但研究人員仍然希望他們可能到達(dá)傳說(shuō)中的“穩(wěn)定島”：一個(gè)假想的元素區(qū)，其中的一些超重元素同位素（原子核中質(zhì)子數(shù)相同，但中子數(shù)不同的原子）可能存在幾分鐘、幾天甚至更長(zhǎng)時(shí)間。

創(chuàng)造新元素在概念上非常簡(jiǎn)單，但在技術(shù)上既困難又緩慢。研究在不到一秒內(nèi)衰變的原子的化學(xué)和核物理性質(zhì)，將計(jì)算和實(shí)驗(yàn)工作都推到了極限。到目前為止，該領(lǐng)域取得的成果已經(jīng)對(duì)這些極端元素的化學(xué)周期性提出了疑問(wèn)。85歲的俄羅斯核物理學(xué)家、歷史上第二位健在時(shí)便擁有以自己名字命名的元素（）的科學(xué)家尤里·奧加涅相（Yuri Oganessian）說(shuō)：“發(fā)現(xiàn)超重元素有時(shí)就像打開(kāi)一個(gè)潘多拉盒子，從盒子里扔出來(lái)的問(wèn)題比發(fā)現(xiàn)更多的元素要復(fù)雜得多?！?/p>

元素發(fā)現(xiàn)時(shí)間

自從門捷列夫在1869年發(fā)表周期表以來(lái)，研究人員發(fā)現(xiàn)或創(chuàng)造新元素的平均速度是每2～3年一個(gè)。

稀有成果

對(duì)超重元素的研究始于20世紀(jì)40年代的戰(zhàn)時(shí)科學(xué)。第一批非自然元素是在原子彈試驗(yàn)的放射性塵埃碎片中發(fā)現(xiàn)的，還有一些是在粒子加速器中制造的。從20世紀(jì)50年代到70年代，大部分研究要么在伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，要么在奧加涅相所在的位于俄羅斯杜布納的聯(lián)合核研究所（JINR）進(jìn)行，而超重元素的研究工作是在冷戰(zhàn)競(jìng)爭(zhēng)的氛圍中進(jìn)行的。20世紀(jì)80年代，德國(guó)加入了競(jìng)賽，位于達(dá)姆施塔特的一個(gè)研究所（現(xiàn)亥姆霍茲重離子研究中心，GSI）制造了第107號(hào)至第112號(hào)的元素。

GSI超重元素部門負(fù)責(zé)人克里斯托弗·杜爾曼（Christoph Düllmann）認(rèn)為，早期的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)已經(jīng)減弱，如今，研究人員經(jīng)常合作開(kāi)展一些實(shí)驗(yàn)。日本理化學(xué)研究所（RIKEN）西奈山加速器科學(xué)中心的一個(gè)日本團(tuán)隊(duì)被認(rèn)為制造出了第113號(hào)元素。后期元素（至第118號(hào)元素）的創(chuàng)造很多時(shí)候共同歸功于來(lái)自德國(guó)、美國(guó)和俄羅斯的團(tuán)隊(duì)。

學(xué)生譯文1：Based on the current situation,this project cost will exceed 30%of the budget.

在GSI從事元素合成工作40年的馬蒂亞斯·沙德?tīng)枺∕atthias Sch?dell）認(rèn)為，現(xiàn)代尋找超重元素的工作類似于小規(guī)模的粒子物理實(shí)驗(yàn)，需要具有不同科學(xué)專業(yè)知識(shí)的團(tuán)隊(duì)從大量碰撞數(shù)據(jù)中篩選出非常罕見(jiàn)的事件。他說(shuō)：“在控制室里坐上幾小時(shí)、幾天，甚至幾周，僅僅是為了尋找探測(cè)器發(fā)出的期待已久的信號(hào)。這項(xiàng)工作非常無(wú)聊，令人精疲力盡。然而，首次觀察到期待中的事件會(huì)令人激動(dòng)不已，身心愉悅，同時(shí)給人以巨大安慰?！?/p>

2015年，森田浩介在新聞發(fā)布會(huì)上宣布，他領(lǐng)導(dǎo)的日本理化學(xué)研究所團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了第113號(hào)元素

奧加涅相表示：“人工元素的合成從來(lái)都是一項(xiàng)困難而艱苦的工作。將元素周期表擴(kuò)展到118號(hào)以后的元素會(huì)消耗大量時(shí)間，而且回報(bào)也會(huì)不斷遞減。在發(fā)現(xiàn)第117號(hào)元素的過(guò)程中，每周可獲得1個(gè)原子；第118號(hào)元素則每個(gè)月只能獲取1個(gè)原子。沒(méi)有理由相信第119號(hào)和第120號(hào)這兩種未知元素的產(chǎn)量會(huì)增加。”瑞典隆德大學(xué)的核物理學(xué)家德克·魯?shù)婪颍―irk Rudolph）認(rèn)為，如果研究人員能夠增加原子束的強(qiáng)度或標(biāo)靶的厚度，這將會(huì)有所幫助，但是這兩項(xiàng)工作“在技術(shù)上都極具挑戰(zhàn)性”。

杜爾曼說(shuō)，GSI目前已經(jīng)停止了尋找新元素的工作，因?yàn)檫@家機(jī)構(gòu)正在安裝一臺(tái)反質(zhì)子和離子研究設(shè)備的加速器，用于研究天體物理現(xiàn)象，超重元素研究工作因此被擱置下來(lái)。

奧加涅相說(shuō)，與此同時(shí)，JINR的研究人員也在2014年底“幾乎停止了”對(duì)元素的探索。在過(guò)去的5年中，他們集中精力建造了一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，奧加涅相稱之為超重元素工廠，生產(chǎn)已知元素的數(shù)量可以是原來(lái)的數(shù)十倍或數(shù)百倍。奧加涅相表示，該實(shí)驗(yàn)室可以同時(shí)開(kāi)展5項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，還計(jì)劃從2019年4月開(kāi)始進(jìn)行兩項(xiàng)為期50天的演示，生產(chǎn)第114號(hào)和第115號(hào)元素。

幾年前，伯克利研究小組就放棄了尋找元素。蓋茨說(shuō)：“人們經(jīng)常討論我們是否應(yīng)該嘗試制造一種新元素，但是我認(rèn)為，通過(guò)對(duì)目前已知元素進(jìn)行更詳細(xì)的研究，可以更好地利用現(xiàn)有的束流時(shí)間。”

理化學(xué)研究所仍在尋找元素，但同時(shí)也在鞏固我們對(duì)現(xiàn)有元素的了解。該中心超重元素生產(chǎn)團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人寬宏光表示，他的團(tuán)隊(duì)將研究第104號(hào)、第105號(hào)和第106號(hào)元素的化學(xué)性質(zhì)。

周期性的終結(jié)？

大多數(shù)研究人員認(rèn)為，探索已知元素的化學(xué)性質(zhì)和核物理性質(zhì)與制造新元素一樣有價(jià)值。一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是，超重元素在多大程度上維持了構(gòu)成門捷列夫元素周期表基礎(chǔ)的化學(xué)性質(zhì)的周期性。元素的化學(xué)性質(zhì)取決于其最外層電子的反應(yīng)性。在原子中，電子占據(jù)著不同的軌道。這些軌道環(huán)繞著原子核，而能量最高的軌道在形成化學(xué)鍵和離子的過(guò)程中發(fā)揮了作用。元素周期表中位于同一列的元素（同族物）具有相似的化學(xué)性質(zhì)，因?yàn)樗鼈兊碾娮訕?gòu)型相似，最外層的電子數(shù)也相同。

然而，一些更重的元素被證明可以用于其他類型的化學(xué)研究。例如，用一種相對(duì)簡(jiǎn)單的技術(shù)來(lái)探測(cè)超重元素，可以測(cè)量原子在周圍氣體中附著在物體表面的強(qiáng)度。GSI的實(shí)驗(yàn)表明，（第114號(hào)）在金表面可形成類似于其同族物鉛的金屬-金屬鍵，但這種鍵要弱得多。換句話說(shuō)，超重元素的反應(yīng)性更低，更穩(wěn)定。與此同時(shí)，（第112號(hào)）與金的相互作用遠(yuǎn)不如它的同族物汞強(qiáng)烈。（第113號(hào)）更難進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，但JINR的初步觀察以及珀什納的計(jì)算表明，它與金表面形成的化學(xué)鍵相對(duì)較強(qiáng)，盡管要弱于其同族物鉈。

在某種程度上，這也是意料之中的事：同族元素中，隨著原子的增大，化學(xué)鍵的強(qiáng)度減小。但是要充分解釋超重元素的化學(xué)性質(zhì)，珀什納的計(jì)算還必須考慮相對(duì)論效應(yīng)。在原子量非常大的原子中，位于最里層的電子和原子核之間有超強(qiáng)的相互作用，其電子的運(yùn)行速度非?？欤赡艹^(guò)光速的80%），從而導(dǎo)致它們的質(zhì)量增加——狹義相對(duì)論預(yù)測(cè)到了這一點(diǎn)。這使它們更靠近原子核，也意味著它們可以更有效地屏蔽外層電子。這改變了外層電子的能量，從而改變其化學(xué)反應(yīng)性。

相對(duì)論的極端

相對(duì)論效應(yīng)已經(jīng)為人所知。例如，金的微黃色和汞的低熔點(diǎn)均是因?yàn)橄鄬?duì)論效應(yīng)所致。超重元素表現(xiàn)出這些極端效應(yīng)很難根據(jù)基本原理精確計(jì)算。沙德?tīng)栒f(shuō)，研究人員在2002年發(fā)現(xiàn)了相對(duì)論效應(yīng)如何導(dǎo)致（第105號(hào)）的性質(zhì)與同族物鉭大相徑庭。這一發(fā)現(xiàn)令科學(xué)家興奮不已，它為我們繼續(xù)探索超重元素的化學(xué)性質(zhì)提供了巨大動(dòng)力。

杜爾曼說(shuō)，化學(xué)家們并不認(rèn)為到目前為止觀測(cè)到的相對(duì)論偏差可以否定一個(gè)廣為接受的觀點(diǎn)，即同一族元素具有使其有別于其他族元素的相似性質(zhì)。在他看來(lái)，研究人員在找到第120號(hào)之后的元素前，不會(huì)發(fā)現(xiàn)明顯的化學(xué)周期性消失。對(duì)此，他這樣解釋：“幾個(gè)軌道的能量開(kāi)始變得非常接近，以至于不再出現(xiàn)有規(guī)律的模式。”這一趨勢(shì)似乎已經(jīng)在2018年的計(jì)算中得到了證實(shí)。該計(jì)算表明，可能不像它的同系物氙和氡那樣是一種惰性氣體。它最外層的電子軌道已變得模糊，因此它的反應(yīng)性可能比它在元素周期表上的位置所顯示的還要強(qiáng)。

長(zhǎng)期以來(lái)，物理學(xué)家和化學(xué)家一直利用光譜直接測(cè)量電子能級(jí)。從本質(zhì)上說(shuō)，這涉及向原子發(fā)射光，以測(cè)量當(dāng)粒子躍遷到高的能級(jí)或低的能級(jí)時(shí)，電子吸收光子和發(fā)射光子的能量。但是在單個(gè)壽命很短的原子上做這個(gè)實(shí)驗(yàn)極具挑戰(zhàn)性：在標(biāo)靶消失之前，如何以足夠的靈敏度進(jìn)行測(cè)量？但在2016年，GSI的一個(gè)團(tuán)隊(duì)測(cè)量出了半衰期為51.2秒的第102號(hào)元素锘的單個(gè)原子的電離勢(shì)。研究人員用鈣離子束轟擊鉛靶，然后減慢氬氣中原子的速度，使它們聚集在鉭絲上，以每秒4個(gè)左右的速度制造了諾原子。研究人員周期性地采用二步法將電子激活：先加熱鉭絲，使其釋放出的锘原子變成氣相，然后用激光將其激發(fā)，而這一切都發(fā)生在幾秒鐘之內(nèi)。在后來(lái)的工作中，他們利用這種光譜測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)推斷三種锘同位素的原子核的形狀和結(jié)構(gòu)，最后得出結(jié)論：它們不是球形，而是橄欖球形——一種影響電子結(jié)構(gòu)的畸變。目前，該團(tuán)隊(duì)正在努力將測(cè)量范圍擴(kuò)大到第103號(hào)元素鐒。

日本原子能機(jī)構(gòu)（JAEA）的研究人員開(kāi)發(fā)了一種不同的電離能測(cè)量方法。在他們的裝置中，超重元素的原子從標(biāo)靶中反沖出來(lái)，在氦氣載體射流通過(guò)一根加熱鉭管時(shí)被捕獲。原子將電子轉(zhuǎn)移到金屬表面，然后被送到一個(gè)驗(yàn)證其特性的α粒子探測(cè)器中。日本原子能機(jī)構(gòu)重元素核科學(xué)研究小組成員詠裕一郎表示：“通過(guò)這種方法，我們可以測(cè)量半衰期只有幾秒的元素的電離能?！痹佋Ｒ焕珊退耐掠眠@種方法測(cè)量了從鐨（第100號(hào)）到鐒（第103號(hào)）的電離能。正如計(jì)算所預(yù)測(cè)的那樣，相對(duì)于原子量較輕的同族元素镥，相對(duì)論效應(yīng)使鐒的電離勢(shì)比通常的周期趨勢(shì)所表現(xiàn)的要低。詠裕一郎介紹說(shuō)，他的團(tuán)隊(duì)目前正在開(kāi)發(fā)一種新的方法來(lái)測(cè)量鐒之后的元素的電離勢(shì)，因?yàn)檫@些元素的揮發(fā)性不足以使這種表面技術(shù)得以應(yīng)用。

元素分解

即使第118號(hào)元素之后的元素可以被制造出來(lái)，研究它們的化學(xué)性質(zhì)也將是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)槿藗冾A(yù)計(jì)它們會(huì)很快分解。奧加涅相表示：“我不會(huì)說(shuō)這是不可能發(fā)生的事情，但目前我還不知道如何完成這項(xiàng)任務(wù)?！?/p>

然而，核科學(xué)家推測(cè)，能夠長(zhǎng)期存在的超重同位素可能存在。和電子一樣，原子核中的質(zhì)子和中子也以殼層構(gòu)型排列，這使得它們的結(jié)構(gòu)或多或少容易被破壞。根據(jù)預(yù)測(cè)，填滿殼層的粒子數(shù)量是特定的“神奇數(shù)字”，這使其具有穩(wěn)定性，從而在原子衰變之前延長(zhǎng)其存在時(shí)間。這一效應(yīng)大致類似于惰性氣體的相對(duì)穩(wěn)定性和非反應(yīng)性，因?yàn)槠潆娮託颖惶顫M了。

卡特里納·烏爾曼（Cathrina Ullman）站在德國(guó)GSI重離子研究中心加速離子儀器內(nèi)

有時(shí)，研究人員會(huì)討論元素周期表會(huì)在什么地方終止。這種事可能會(huì)發(fā)生，因?yàn)樵恿糠浅４蟮脑拥淖钔鈱与娮涌赡懿淮嬖谌魏闻c原子核實(shí)際結(jié)合的狀態(tài)，所以根本沒(méi)有真正的化學(xué)性質(zhì)可言?；蛘咴雍艘坏┬纬删蜁?huì)分裂。2018年5月，國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）重申了其立場(chǎng)：一種元素至少應(yīng)該存在10-14秒。但一些化學(xué)家質(zhì)疑：沒(méi)有時(shí)間相互作用的原子能否被賦予有意義的化學(xué)性質(zhì)，從而成為一種元素？

這實(shí)際上是在問(wèn)：在最極端的情況下，元素周期表是否會(huì)像當(dāng)初門捷列夫所理解的那樣，仍然是一個(gè)以化學(xué)為基礎(chǔ)的體系？或者它是否會(huì)變成一個(gè)以非常高的核子密度為基礎(chǔ)的物質(zhì)物理學(xué)體系？新元素必須排列在周期表的某個(gè)位置，但它們的位置可能會(huì)變成一種擺設(shè)，而不是用來(lái)表示有關(guān)其化學(xué)性質(zhì)的有用信息。

然而，為了達(dá)到這一目標(biāo)，化學(xué)家們需要?jiǎng)?chuàng)造出那些更重的元素。盡管技術(shù)難度很大，但尋找工作仍在繼續(xù)。理化學(xué)研究所的研究員英人伊島說(shuō)：“我們從去年6月開(kāi)始尋找第119號(hào)元素。這肯定要花很長(zhǎng)時(shí)間，也許是年復(fù)一年，每年100天或更長(zhǎng)時(shí)間，但我們?nèi)匀粫?huì)繼續(xù)開(kāi)展相同的實(shí)驗(yàn)，直到我們或其他人發(fā)現(xiàn)它為止?！?/p>

杜爾曼說(shuō)：“我非常樂(lè)觀地認(rèn)為，第119號(hào)和第120號(hào)元素將在未來(lái)10年內(nèi)被發(fā)現(xiàn)。長(zhǎng)期前景看起來(lái)似乎不那么光明，但在20世紀(jì)90年代我還是一名博士生時(shí)，看過(guò)該領(lǐng)域的‘大牛’們發(fā)表的一些關(guān)于解釋為什么第112號(hào)元素已經(jīng)接近極限的論文。而在20年后，我們有了第118號(hào)元素，所以我想我們不應(yīng)低估下一代。”