元素周期表迎來4位「新朋友」，分別是113、115、117和118號

4種元素即將入列元素周期表是件頗具象徵意義的科研成果：這意味著現有元素周期表的七個周期已全部被填滿，如果能夠發現更高原子序數的元素，它將位列第八甚至第九周期。超重元素是否存在上限？穩定島假說是否成立？也許我們正接近答案。

「撞」出新元素

113號元素Nihonium來源於日本國名的日語發音Nihon；115號元素Moscovium由俄羅斯首都莫斯科的英文Moscow加後綴ium組成；117號元素Tennessine來源於美國田納西州（Tennessee）；118號元素名為Oganesson，以致敬俄羅斯科學家尤里·奧加涅相（Yuri Oganessia）——這位老人領導合成了6種人造元素。

其中，113號元素是首次由亞洲國家發現的元素，它的發現者、日本理化學研究所森田浩介團隊曾考慮用Japonium（來源於日本的英文Japan）、Rikenium（理化學研究所）或Nishinanium（日本近代物理奠基人仁科芳雄）來命名，但最終選擇了Nihonium。森田團隊在給IUPAC的說明中解釋說，福島核泄漏後，有民眾不再相信科學，他們希望讓民眾重燃對科學的驕傲與信念。

某種意義上說，「發現」新元素更可以說是「創造」新元素。在自然界中，只存在90種元素，已知其餘的28種，只誕生於實驗室。截至目前，世界上只有美國、俄羅斯、德國等少數幾個國家能夠開展人造元素合成實驗，一方面是技術門檻極高，另一方面是花費巨大。

合成人造元素的原理聽起來不複雜——撞擊：科學家們用加速器將離子加速，轟擊重離子靶，這種方法有很小的概率命中目標，「撞出」新元素來。新元素在極短的時間裡衰變（森田團隊首次合成的質量數為278的Nihonium同位素半衰期僅為0.24毫秒），科學家依據其衰變產物來判斷是否產生新元素。

用來撞擊的「子彈」和「靶子」也是極其珍貴。以117號元素Tennessine誕生為例，它的「靶子」是97號元素錇，數據顯示，從1967年至今，在美國生產的錇元素剛剛超過1克，稱其價值連城並不為過。

2008年，為了給Tennessine實驗製造「靶子」，美國橡樹嶺國家實驗室用了大半年時間製得22.2毫克的錇249，這些「靶子」被運至俄羅斯，在加速器中經億萬次轟擊，最終得到了兩種Tennessine的同位素。

命名權競賽

一種新元素，從發現到正式命名，需要經過多次實驗確認，這其間甚至可能間隔十數年甚至更長。一個共識是，一個實驗發現了新元素，需要由另一個實驗室成功重複該項試驗，才可獲得承認。2004年7月，森田浩介使用鉍209鋅70之間的冷融合反應，合成了Nihonium。隨後，森田團隊兩次合成了該元素，進一步證實了實驗的可靠性。

另一方面，早在2003年8月，奧加涅相領導的俄美聯合團隊就宣布探測到了113號元素——他們的方法是先產生了115號元素Moscovium，然後由其衰變得到Nihonium，不過IUPAC認為該實驗並未符合「發現元素」的標準。

值得一提的是，位於蘭州的中國科學院近代物理研究所通過對 266的衰變特性進行研究，佐證了日本團隊的實驗。能夠命名一種元素無疑是特殊的榮耀，對於新元素的合成，各國實驗室之間的競爭非常激烈，很多時候是數家實驗室同時獨立完成實驗，而決定命名權的，就是IUPAC。

以第105號元素為例，蘇聯團隊建議名稱Nielsbohrium，以紀念丹麥核物理學家尼爾斯·玻爾；而美國團隊則提出把新元素命名為Hahnium，以紀念德國化學家奧托·哈恩。直到1997年，各方才達成妥協統一了命名，結束了這場元素命名之戰。

尋找穩定島

一般認為，元素序數越大，半衰期越短，即序數越大的元素，存在時間越短。不過，到20世紀中葉，科學家提出了穩定島假說，認為量子效應會使得某些較重的原子擁有較長的半衰期。

20世紀60年代末，丹麥物理學家S·G·尼爾鬆通過計算預測稱，114號元素 的同位素 298即是一個穩定島，甚至，在其附近能存在一個由成百個超重核組成的穩定島。但迄今為止科學家並未能得證實此預測。

不過，俄羅斯科學家對114號和116號元素衰變過程中釋放出來的α射線的能量和各種同位素壽命的測定結果表明，整個衰變過程與穩定島假說相吻合。而在合成115號元素時，得到的105號元素 的同位素 270，半衰期竟然達到23.15小時，成為穩定島假說的另一佐證。

除了尋找穩定島，合成超重元素的另一個目的在於探尋超重元素的極限。從理論上說，隨著質子數不斷增加，質子間庫侖斥力將快速上升，最後超過強相互作用力，使得原子核「解體」。北京大學物理學院教授孟傑認為：「原子核電荷和質量的上限不僅對原子核結構，而且對理解宇宙和恆星的結構及其演化有十分重要的意義。"

2010年，在成功合成第117號元素後，奧加涅相曾說過這樣一段話：「我們研究出了這種新元素，但可能無法確知它將會被用於何處。或許未來的科學家會發現它具有廣闊的應用前景，但對於我來說，它的未來將是一個謎，我想，這也就是科學發現的魅力吧。」

本文轉自南方日報 記者 王詩堃

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