在一次次撞擊中，填滿元素周期表的第7行

現在，元素周期表已經和很多人當年在中學課本上見到的模樣大不相同。隨著科學家們的努力，原本殘缺的第七行已經被一個個名字古怪的超重元素填滿。這些元素周期表上的新成員是實驗室里轉瞬即逝的人造品，是科學家們費力「撮合」的產物，它們到底是怎麼合成出來的？

文：Katrina Kr?mer

翻譯：紳士西格瑪

編輯：窗敲雨

怎麼做個新元素？

製造超重元素的基本理論就是，將兩個預先選擇好的原子核結合到一起，讓它們加起來正好能包含你所希望製造的超重元素質子數。比如說，為了製造含有115個質子的新元素「moscovium」，科學家們就把鈣（20個質子）與鎇（95個質子）結合到了一起。但是——可能你已經猜到了——實際過程可沒那麼簡單。

杜布納聯合原子核研究所（俄羅斯）的科學家在同步加速器器前工作，這是捕獲超重元素的關鍵設備之一。圖片來自：Joint Institute for Nuclear Research

核聚變僅發生在極端條件下，例如在太陽的核心。為了讓原子核結合，我們不得不克服原子核之間因為帶正電的質子而產生的靜電斥力。在實驗室中，這意味著我們要讓其中一個原子核加速到相當高的能量（大約10%的光速），然後讓它轟擊另一個原子核（靶原子核）。

當加速過的原子核撞擊靶原子核，大多數時候它們會立刻分開，但極少數時候（非常，非常偶爾），兩個原子核會聚合到一起。這是個小概率事件，而且要造的元素越大，融合起來越困難。

這是因為，能對抗電磁力、將原子核里的質子和中子拉到一起的力（強核力）雖然強大，但它的作用距離卻很短。你嘗試塞進一個原子核的質子和中子越多，就越有可能是電磁力的排斥作用勝出，使得原子核被撕裂。

科學家嘗試變換各種「子彈」和「靶子」原子的組合，並對它們進行連續好幾個月的融合試驗，但最終能檢測到的新元素往往只有寥寥數個原子——假如確實有的話。

即使碰撞創造出了新元素，它通常也非常不穩定，一瞬間就會裂變。富含中子的起始同位素能夠阻止這一進程的發生。它們能夠幫助穩定新生成的元素，讓原子核通過中子發射的方式散發能量。

元素生產線

生產人造元素，你需要一個離子源，一個回旋加速器來加速這些離子，一個接受轟擊的「標靶」，以及分離器和檢測器。美國勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的回旋加速器每一秒會輸出大約1014個高度帶電狀態的離子（例如Ca10+，這種超高價離子損失了相當多的電子）,並把它們加速到大約30000千米/秒。

離子束從回旋加速器飛出，迎頭撞上一個高速旋轉的「標靶」圓盤。旋轉圓盤是非常重要的——假如不轉動，高能離子流很快就會在上面燒出一個洞。

圓盤上有作為「靶子」的起始元素。

在「標靶」之後，電磁分離器會從數以百萬計的的碰撞中分離出新產生的元素。分離器的工作原理類似質譜儀——調整好的磁場只會讓我們所需的特定荷質比的粒子通過。能順利通過分離器過濾的粒子，接下來就會到達檢測器了。

新元素那麼短命，

怎麼確定它真的誕生了？

這些新元素可能不會存在多久，不過當它們衰變時，會有一個特徵性的模式。大多數超重元素會發出α粒子（也就是氦原子核）。每一次α衰變會導致2個質子和2個中子從原子核中分離，殘留下來的更輕的原子核還將進行新一輪衰變。這樣一來，元素就產生了一條獨特的「衰變鏈」。

科學家正在研究117號元素的衰變鏈。

然而，這些原子經常會衰變成某種已知元素的未知同位素，這些新同位素的衰變鏈也是未知的。因此，研究者們還要合成這些同位素，觀察它們的衰變鏈，然後再與新元素聚變實驗的數據進行匹配。

當科學家們合成出至少若干個新元素原子時，他們會把發現提交到國際純化學和應用化學聯合會（IUPAC）。接下來，在IUPAC正式確認之前，另一個實驗室還會對這些實驗進行重複。

能造出更穩定的元素？

大多數超重元素非常不穩定，科學家們連造出能堅持幾分鐘的超重元素都不太可能。不過自從1960年代開始，科學家們就預測，一些超重元素同位素會有比其他同類大出好幾個數量級的半衰期，這就是所謂的「穩定島」。

科學家認為，原子核也像核外的電子一樣，由不同能級的「殼層」組成。特定數量的質子和中子將形成一個特別穩定的原子核，這樣的特定數目被稱為「幻數」。一個同時擁有幻數質子和幻數中子的原子核就是「雙幻核」。

與其他設備相比，檢測器是個頭較小的部分。

究竟都有哪些數字是「幻數」？現在對此所知還不是很多，不同的計算方式會得出不同的結果。不過，有證據表明184是一個中子的幻數。正在研究114號元素（flerovium）同位素的研究者已經發現，隨著同位素中子數增加，半衰期也會延長。而到目前為止，人工合成最重的同位素-289依然與幻數差了9個中子。

元素周期表還能擴大？

各種預測眾說紛紜，不過元素周期表的大小確實存在上限。隨著質子數增長，內層電子會更難抵擋帶正電的巨大原子核的吸引。當最內層電子進入原子核內，原子也就不復存在了。

物理學家理查德·費曼預測，元素周期表會在137號元素的地方終結。他的依據是自己對帶電粒子間電磁相互作用強度的計算。然而，費曼的預測假設原子核是完美的球形，這一點並不一定正確。在幾十年前，有科學家預測非常重的元素可以有橢球型的原子核，並且這種橢球形的原子核最多能容納170個中子。

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譯文來自果殼網，謝絕轉載

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