经过短暂的休止后,化学家们正继续他们向元素周期表进军的步伐。最新加入的是鿫:元素106。
从氢到铀,几乎所有元素都天然存在于地球上。在那之后,进行化学研究变得异常困难。要研究比铀(其原子核中有92个质子,因此原子序数为92)更重的元素,你必须先制造它,通常是通过以高速撞击一个轻元素和一个重元素,并希望一些原子核能够结合在一起。最初的九种超铀元素是在1940年至1955年间快速产生的——其中八种,以钚开始,是由包括美国化学家格伦·西博格在内的一个团队发现的。(该团队在1952年于恩尼威特克环礁的一次首次氢弹爆炸的放射性尘埃中发现了第99和100号元素;第100号元素在一个垃圾桶里。)但从那以后,步伐就慢了下来。自20世纪80年代初以来,德国研究人员合成了107、108和109号元素,但没有新元素被发现。即使是那些发现,也尚未得到第二个实验室的确认。
制造最重的元素非常困难,世界上只有四个实验室尝试这样做。它们这样做是为了挑战,为了为元素周期表增添新元素的荣耀,也是因为通过制造人工元素,它们可以检验其关于天然元素如何组成的理论。最近,在一段沉寂之后,它们取得了一些显著的成功。去年年底,加州大学伯克利分校的一个团队确认了劳伦斯伯克利实验室的阿尔伯特·吉奥索及其同事(包括西博格)在1974年的一项发现:他们第二次制造了106号元素。吉奥索立即将该元素命名为鿫,现在它可以正式添加到元素周期表中了。与此同时,一个俄罗斯和美国科学家团队发现,鿫元素相当有趣:它的一些形式在衰变成较轻的元素之前可以存活长达30秒。这一结果燃起了希望,即在元素周期表的上层区域可能隐藏着足够稳定的元素,供我们深入了解。
随着原子序数超过铀,元素的稳定性倾向于逐渐降低,因为它们的原子核包含的带正电的质子越来越多,而同种电荷会相互排斥。然而,如果静电力是唯一的作用力,那么所有原子,无论是超铀元素还是非超铀元素,都会立即分崩离析。相反,当质子及其电中性的同伴中子在原子核内快速移动时,它们被强大的核力束缚在一起,这是自然界四种基本力之一。也就是说,直到它们靠得太近时,它们才会被束缚在一起:在近距离,强力会变成排斥力。吸引力和排斥力之间的平衡通常会将原子核塑造成球形。
然而,几十个粒子的相互作用非常复杂,以至于理论家们很难预测特定元素的稳定性,而且他们也无法总是达成一致——这就是为什么制造新元素是检验竞争理论的有用方法。但有一点大家意见一致,因为量子力学要求如此,那就是原子核中的质子和中子只能占据离散的能级——化学家称之为壳层——就像围绕原子核运动的电子一样。尽管壳层代表能级,但它们也有空间意义。能量最高的粒子最有可能出现在原子核的外壳层。
壳层结构对原子核稳定性的意义在于:每个壳层只能容纳一定数量的粒子,而当所有壳层都充满时,原子核最稳定。这使其结构紧密,不易衰变。随着在元素周期表中的移动,壳层从内向外,从低能级到高能级填充。质子和中子填充不同的壳层。在某些魔数,如2、8、20、28、50和82时,最外层壳层被填满,因此下一个粒子必须进入一个新的壳层。例如,氧(8个质子和8个中子)和铅(82个质子和126个中子)之所以是最稳定的元素之一,是因为它们拥有质子和中子的魔数。
理论上,壳层结构可以在超铀核中产生可达到的稳定岛。特别是,一些理论家预测162将是一个特殊的“中子魔数”。他们说,包含162个中子的原子核应该有一个充满的、但呈蛋形而非球形的外壳层。由杜布纳联合核研究所的尤里·拉扎列夫和利弗莫尔国家实验室的罗恩·洛格希德领导的一个俄罗斯和美国团队,着手通过制造尽可能接近162个中子的鿫新同位素来检验这一预测。(同位素是质子数相同但中子数不同的原子。)
在莫斯科以北60英里的杜布纳的一个加速器中,研究人员用由镎(原子序数为96)制成的两平方英寸的目标,以每秒13万亿个氖原子(原子序数为10)的束流轰击了数周——总共轰击了1600万万亿个氖原子。几乎所有这些原子要么能量过高或过低,要么没有以正确的角度撞击镎原子,结果要么从镎原子上弹开,要么直接穿过。但有几百次,条件恰好合适,一个镎原子核和一个氖原子核结合成一个鿫原子核。研究人员探测到了其中十个原子核。四个有159个中子,六个有160个中子,所有这些都非常稳定。
实际上,研究人员从未直接看到鿫。相反,他们通过观察两种不同的鿫同位素衰变产生的子元素以及同位素衰变时释放出的α粒子来推断其存在。从这些观测中,研究人员能够确定同位素的半衰期:最长可达30秒。这听起来不长,但对于一个拥有106个质子的原子核来说,这已经很长了。吉奥索和西博格在1974年发现的157个中子的鿫同位素,其半衰期为0.9秒。
杜布纳的发现证明了在中子魔数162附近确实存在核稳定性。拉扎列夫说,一个拥有精确162个中子的原子核的寿命可能会更长。如果我们获得了这两种非常长寿的同位素,那就意味着存在一个新的、相对稳定的同位素岛。科学家们有大量的工作要探索这个岛屿,并制造105、106和107号元素的新、长寿的同位素。
甚至可能更远。华沙核研究所的亚当·索比切夫斯基(Adam Sobiczewski)曾预测了鿫同位素的长半衰期,他说,通过证实106号元素的理论预测,杜布纳-利弗莫尔的发现增强了我们对更重元素预测的信心。它证实了壳层结构的关键作用,并为更重的、新元素带来了希望。事实上,一个呈蛋形的162中子原子核的稳定性可能与下一个魔数114的球形质子壳层相比微不足道。一些理论家预测,112、113和114号元素,特别是它们拥有184个中子魔数的同位素,可能拥有数十亿年的半衰期。
拉扎列夫和洛格希德的团队正在一步一步地走向这些元素。今年,他们希望通过用硫(16号元素)轰击铀来制造108号元素的新型、更长寿的同位素,并通过用硫束射击钚(94号元素)来制造110号元素的第一个确定性同位素。与此同时,他们制造长寿106号元素的成功激发了其他实验室。“我们正在讨论建造一种新型探测器,它将使我们能够做得更好,”吉奥索说。“这仅仅是探索元素周期表上层区域的开始。整个区域都是可以到达的。”














