元素周期表在哪里结束？

环顾四周：你所看到的一切都由元素周期表中的元素组成。自从科学家们在 19 世纪首次将这些自然界构成要素的目录汇集在一起以来，他们就一直在思考，这些元素及其变体（称为同位素）是否会有尽头。这是构成物理宇宙核心的一个深刻问题。

如今，我们有 118 种元素被记载，它们的区别在于原子核中的质子数量。然而，其中大约有二十几种元素在自然界中不存在。

多年来，物理学家们通过在粒子加速器中将原子核相互撞击，创造出了新的、短暂的、通常体积庞大的元素（以其原子序数或质子数定义）。从这些碰撞器中也涌现出了大量的有趣同位素。

添加到元素周期表中的每一种创纪录的“超重”元素，都能让我们深入了解自然规律及其极限。同时，同位素——原子核中具有不同数量中子数的元素的变体——可以具有独特的性质，使其在科学和工业上都具有价值。例如，用于医学成像的最常用同位素是锝的一种同位素，锝是第一个于 1937 年人工合成的元素。许多烟雾探测器都含有镅的一种同位素，镅是一种人造的放射性超重元素，最初于 1944 年制造。

科学家们渴望继续完善元素周期表。一个重要原因：希望能够达到理论上存在的“稳定岛”。在那里，“魔数”（通常严肃的物理学家这样称呼）的质子和中子应该能够很好地协同作用，从而形成一个更稳定的原子核。

这应该能让新的超重原子比它们在元素周期表中快速衰变的近邻拥有更长的寿命。超重原子核由于其固有的不稳定性以及人造的性质，与天然存在的元素的原子核相比，其行为方式不同且不可预测，因此没有人确切知道这个岛会在哪里。但研究人员认为我们已经很接近了。

然而，令人恼火的是，在创造目前存在的 92 种天然元素和 26 种人造元素之外的新元素时，我们可能会首先遇到一个瓶颈。这是因为当今的原子撞击方法已接近其理论和技术极限。

“我们认为我们有通往 120 号元素的道路，”劳伦斯·利弗莫尔国家实验室化学家兼重元素项目负责人 Dawn Shaughnessy 说。

她说，我们能否超越 120 号元素，还有待观察。

为了让元素周期表的探索继续下去，在未来十年里，实验室将启动下一代原子碰撞器，以生产奇特的元素，并探究自然界本身是如何产生宇宙中所有元素的。“当你制造越来越重的元素时，你会制造出化学性质截然不同的元素，”俄勒冈州立大学化学教授 Walt Loveland 说。“这可以告诉我们原子结构是如何运作的。”

突破自然的极限还可以揭示物质在大爆炸和恒星炉中的最终起源，粒子如何自组织成离散的元素等等。“我们正在试图回答一个基本问题：‘物质在哪里结束？’”Shaughnessy 说。

新元素登场

制造元素的过程很简单，但并不容易。电场和磁场加速较轻元素的粒子束，直接撞击较重的目标元素。构建更大的元素是基础数学：粒子束元素质子加上目标元素质子。绝大多数情况下，粒子束会从目标上反弹，但偶尔它们会融合形成一种新的、备受追捧的元素。

由此产生的超重元素以及各种较小的粒子，然后会撞入围绕目标物的硅探测器。探测器根据探测到的粒子能量来区分原子核。

最近的元素进展发生在去年，当时德国重离子研究中心的核科学家用 20 质子的钙离子束轰击了一块含有 97 个质子的锫。结果产生了几个 117 质子元素的原子，该元素仍在等待正式命名。（2002 年发现的 118 号元素也一样。）

与大多数超重元素一样，117 号元素被证明是不稳定的，只持续了极短的时间就分裂成更轻的元素。但其最初的衰变产物之一是前所未见的同位素——266 号铹（这意味着铹，第 103 号元素，含有 163 个中子）。它持续了 11 小时——在超重领域，这已经算是永恒了。这一令人兴奋的发现暗示着稳定岛正变得可见。

继续前进

为了继续向 120 号元素和预测中的稳定岛前进，研究人员将利用位于俄罗斯杜布纳的超重元素工厂（SHE-Factory），该工厂预计将于 2016 年开始进行核碰撞。与今天的碰撞器一样，它将使用磁场将较轻元素的粒子束撞击较重的目标元素。

但要制造新的超重元素，SHE-Factory 和其他设施正在探索新的、更强大的粒子束和最先进的粒子探测器。SHE-Factory 从一开始就将释放出比当今最先进加速器强 20 倍的粒子束。该设施还将依赖新的超灵敏仪器，这些仪器能够探测到容易被忽略的粒子，并持续数月检查超重元素生成的实时数据。在超重领域，耐心至关重要，因为绝大多数碰撞都不会产生期望的原子核，只有极少数（如果能产生的话）是超重元素。2012 年，日本研究人员成功生产出 113 号元素的一个原子，他们为此实验运行了 553 天，历时九年多。“问题是，当你寻找一个原子时，你可能需要等待很、很长的时间，”Loveland 说。

“SHE-Factory 将使实验的灵敏度比我们今天高约 100 倍，”位于杜布纳的联合核研究所（Joint Institute for Nuclear Research）的弗列罗夫核反应实验室（Flerov Laboratory of Nuclear Reactions）的科学负责人 Yuri Oganessian 说。“这将增加我们合成 119、120 号及更重元素的几率。”

利用中子

为了让科学家们能够到达稳定岛，他们不仅要利用质子，还要利用中子。这些亚原子粒子通过强力（自然界的四种基本力之一，另外三种是引力、电磁力和弱力）结合在原子核中。更多的中子可以通过增强原子核中像沙丁鱼一样密集堆积的粒子的强相互作用来促进稳定性，否则它们会相互排斥。“我们还没有到达稳定岛的中心，因为我们缺少太多的中子，”Shaughnessy 说。但通过将中子添加到原子核中，有可能增加它们的寿命。

密歇根大学耗资 7.3 亿美元的稀有同位素束设施（FRIB），将于今年三月奠基，它将负责提高中子数量。FRIB 将向常规和非常规的元素靶材发射富含中子的粒子束，从而制造出寿命更长、负载中子的超重元素。FRIB 的粒子束将由大型但常见的原子组成，例如铀-238，并加速到光速的一半。这些靶材是较小的原子，在碰撞时会粉碎较大的粒子。由此产生的原子碎片将被即时分离，使用电磁场和其他技术来收集和储存碰撞产生的放射性、富含中子的目标同位素。FRIB 预计将于 2022 年开放，届时还将产生约 1000 种新同位素和 3500 种已知同位素的有用数量——这些加起来占从氢到铀之间所有可能同位素的 80%。“如果科学家想要某种同位素，FRIB 将是获取它的好地方，”FRIB 的首席科学家 Brad Sherrill 说。最受欢迎的同位素将包括铁以外的元素，如金和银。理论认为，超新星——巨星的爆炸性死亡——会产生这些重元素。然而，我们最好的超新星超级计算机模型却无法产生正确比例的金、银和其他许多熟悉的金属。“人们珠宝中的元素？我们不知道它们来自哪里，”Sherrill 说。FRIB 将大量生产这些元素的短寿命前体，其结果可以解决这个天体物理学的谜团。更贴近现实地说，FRIB 还可以发现用于治疗癌症的新放射性同位素。这些同位素可能具有有利于与输送剂结合的化学性质，从而实现强效的、靶向肿瘤的打击。另一个好处是，它可以帮助研究创新核电站的科学家更好地了解他们可能使用的奇特的、富含中子的新材料，从而提高反应堆的效率并减少浪费。

总而言之，即将出现的新超重元素和新奇同位素系列有望重塑我们对原子层面自然的理解。“在核物理学中，有很多前沿领域，”Sherrill 说。“这是一个我们不知道结局的故事。”

[本文最初发表于印刷版，标题为“锻造新元素”。]