走進制造“宇宙中最重原子”的俄羅斯工廠

杜布納小城坐落在莫斯科以北靠近伏爾加河的茂密松林中。離市中心不遠，有一條草木繁盛的大街，布滿蘇聯(lián)時期的建筑物。但在這片建筑群中，有一個地方正在發(fā)生一些開創(chuàng)性的事情。

新元素補充元素周期表

一個巨大的混凝土車間里，戴著安全帽的工人們正忙著組裝世界上最強大的研究機器之一。在我觀看時，站在我身邊的是世界上唯一健在的用其名命名化學元素的人。尤里·奧加涅相——118號化學元素先生——幾乎是慈愛地凝視著車間中央那個4米寬的金屬圓盤。

這是一臺機器的首批部件之一，而這臺機器不久將開始產(chǎn)生出化學元素，但這可不是普通的化學元素，這些元素將是超重元素。通過第一次制造出數(shù)量足以供研究之用的這類奇異的原子，奧加涅相和他的機器應(yīng)該能夠回答有關(guān)我們的宇宙是如何形成的一些重大問題，或許還可能給我們提供一個驚人的能量來源。他甚至可能會推翻支撐元素周期表本身的某些規(guī)則?，F(xiàn)代元素周期表的誕生可以追溯到另一個俄羅斯城市——圣彼得堡。正是在那里，一位名叫德米特里·門捷列夫的科學顧問幫助人們穿透150年前的化學亂象，發(fā)明了化學元素周期表。

有了門捷列夫的周期表，化學結(jié)構(gòu)開始變得更加可以理解。這個俄羅斯人根據(jù)原子量把已知的63種元素編制成表。我們現(xiàn)在知道，原子量是由原子核中的質(zhì)子和中子的數(shù)量決定的。隨著時間的推移，化學家發(fā)現(xiàn)了更多的元素，填補了門捷列夫在元素周期表上留下的一些空白。到了1940年代，我們已經(jīng)制造出第一批合成元素，比如锝。但是锝太不穩(wěn)定，無法在地球上大量存在。

然而，我們通過向原子核中填充更多質(zhì)子和中子，來不停地試圖制造新的元素。為此，我們需要一臺粒子加速器。這類工作在杜布納那片建筑群里已經(jīng)開展很多年。那里就是聯(lián)合原子核研究所。這家機構(gòu)成立的目的就是同瑞士日內(nèi)瓦附近的歐洲核子研究中心粒子物理實驗室進行競爭。

聯(lián)合原子核研究所最重要的部分是弗廖羅夫核反應(yīng)實驗室。在這個實驗室，回旋加速器沿磁螺旋狀軌道拋擲帶正電離子。一旦達到相當高的速度，帶電離子就被發(fā)射出去，沿著軌道去轟擊一個作為標靶的原子核。大多數(shù)情況下，撞擊的結(jié)果是兩者俱碎;但在小概率情況下，它們會融合成一個超重原子。

“超重元素工廠”蓄勢待發(fā)

在過去幾年里，日本、德國和俄羅斯的加速器用這種方式制造出大量新的超重元素，直到118號元素出現(xiàn)。但我們對這些超重元素幾乎一無所知。目前為止最先進的實驗是，讓新合成的原子穿過一個金釘陣列，金釘?shù)臏囟瘸侍荻茸兓?，觀察黃金的溫度必須在多高的情況下才能使那些原子結(jié)合在一起。要想進行更多的實驗，需要更多的原子樣本。

然而，有跡象表明，超重元素的性質(zhì)與其他元素不一樣。英國利物浦大學的羅爾夫一迪特馬爾·赫茨伯格說：“我們認為，一組元素的化學性質(zhì)在某種程度上發(fā)生系統(tǒng)性變化?！钡嬎憬Y(jié)果顯示，我們已經(jīng)制造出的超重元素中有幾個像惰性氣體，盡管它們并不屬于惰性氣體。赫茨伯格說，如果是這樣，“你得問問自己，我們所知道的元素周期表是否還有效”。

如今，建造新的回旋加速器的“超重元素工廠”正在進行最后測試，準備今年春天進入全面運轉(zhuǎn)。這下一個最好的回旋加速器可以每周產(chǎn)生一個超重原子?！俺卦毓S”的生產(chǎn)率是以前的100倍，所以我們很快就應(yīng)該有足夠的超重原子來開始嘗試新的實驗。

參與發(fā)現(xiàn)幾個超重元素的美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的馬克·斯托耶說：“你可以考慮將它們捕獲，測量它們的質(zhì)量。你也可以進行化學實驗?！崩纾梢园堰@些原子送入一個裝有某種活躍元素（比如氯）的反應(yīng)室，看看它們是否與這種活躍元素結(jié)合。如果沒有結(jié)合，這就顯示這些原子像惰性氣體一樣不活躍。

潛藏價值拓展物理領(lǐng)域

或許在超重原子中還會發(fā)現(xiàn)新的潛藏價值。這是因為元素有不同的形式，稱為同位素。每個同位素的中子數(shù)量不同。元素由原子核中的質(zhì)子數(shù)來定義：如果有一個質(zhì)子，那就是氫;如果有兩個，那就是氦，等等。但氦同位素的原子核可以包含一個、兩個或零個中子。在元素周期表上的重元素也是類似情況。以114號元素為例（它最早也是在弗廖羅夫?qū)嶒炇抑圃斓模?，它有不同的同位素。但這次有可能其中一些同位素在很長一段時間內(nèi)將保持穩(wěn)定。

1963年，物理學家瑪麗亞·格佩特一梅耶、漢斯·延森和尤金·維格納因為提出一個原子核中的中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)可以為“幻數(shù)”而獲得諾貝爾物理學獎。這就相當于當原子的殼層結(jié)構(gòu)填滿時，原子核就會非常穩(wěn)定。根據(jù)這一理論，應(yīng)該有一些極為穩(wěn)定的超重元素。

找到這個傳說已久的“穩(wěn)定島”可能非常有用。“穩(wěn)定島”上的任何超重元素都可能持續(xù)數(shù)千年時間，并且由于其巨大的體積而蘊含驚人的能量。它們可以成為核電站極好的燃料。“超重元素工廠”是我們到達“穩(wěn)定島”邊緣的最佳機會。