德國(guó)GSI亥姆霍茲重離子研究中心直線(xiàn)加速器能將鈣離子加速至光速的10%，
以制造元素117。
圖片來(lái)源：G. Otto/GSI亥姆霍茲重離子研究中心
物理學(xué)家已經(jīng)制造出了超重元素的新成員—— 一種原子核中有117個(gè)質(zhì)子的原子。這個(gè)“龐然大物”位于元素周期表的外層，在這里，腫脹的原子核傾向于變得越來(lái)越不穩(wěn)定。但是，117號(hào)元素的存在卻給了科學(xué)家希望，他們正在接近發(fā)現(xiàn)傳聞中的“穩(wěn)定島”，這里的原子核擁有所謂的神秘?cái)?shù)目的質(zhì)子和中子，使得其壽命長(zhǎng)久。
比鈾（擁有92個(gè)質(zhì)子）沉重的元素在自然界中不常被發(fā)現(xiàn)，但它們被迫在實(shí)驗(yàn)室里“現(xiàn)身”。問(wèn)題是：一個(gè)原子核越大，帶正電荷的質(zhì)子彼此間的斥力就越大，通常這使得它更不穩(wěn)定或更具放射性。例如，元素117的半衰期大約是千分之50秒，這意味著在這段時(shí)間內(nèi)，一半的該元素將衰減成一個(gè)更輕的元素。
2010年，一個(gè)美國(guó)—俄羅斯聯(lián)合研究小組在俄羅斯聯(lián)合核能研究所第一次制造出元素117。但該元素仍被認(rèn)為是非官方的，尚未被正式接受，且未被國(guó)際理論與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）錄入元素周期表。不過(guò)，德國(guó)達(dá)姆施塔特GSI亥姆霍茲重離子研究中心利用新實(shí)驗(yàn)成功證實(shí)了117號(hào)元素的存在，他們得出的其新外觀(guān)信息將有助于該超重元素向正式加入元素周期表更進(jìn)一步。
“跟首次發(fā)現(xiàn)相比，這次的發(fā)現(xiàn)是由一個(gè)不同的研究小組在不同的地方，利用不同的機(jī)器完成的。”領(lǐng)銜GSI 實(shí)驗(yàn)的Christoph Dullmann說(shuō)，“我認(rèn)為科學(xué)界將要改變對(duì)元素117的看法，它已經(jīng)從宣布被觀(guān)察到發(fā)展為如今的已經(jīng)被證實(shí)。”
要制作元素117——其在周期表中的臨時(shí)占位符為ununseptium，研究人員需要粉碎鈣原子核（每個(gè)有20個(gè)質(zhì)子），并用其轟擊锫（每個(gè)原子有97個(gè)質(zhì)子）。該實(shí)驗(yàn)非常困難的部分原因是锫本身就很難得到。“我們必須與世界上唯一能大量生產(chǎn)和分離锫的機(jī)構(gòu)合作?！盌ullmann說(shuō)。
這個(gè)機(jī)構(gòu)就是美國(guó)田納西州橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，其核反應(yīng)堆能夠創(chuàng)造半衰期為330天的稀有元素。該設(shè)施花費(fèi)了大約兩年時(shí)間建立了足夠大的锫儲(chǔ)存量以用于實(shí)驗(yàn)。當(dāng)積累到13毫克后，橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家便將锫裝船運(yùn)到德國(guó)，以供該項(xiàng)目下一階段使用。
在GSI，研究人員將鈣離子加速到光速的10%，之后讓它們撞向锫。如果鈣和锫的原子核迎頭撞上，這兩個(gè)原子核偶爾會(huì)結(jié)合在一起，融合成一種質(zhì)子總數(shù)為117的新元素?！拔覀兠恐艽蠹s獲得1個(gè)原子?！盌ullmann說(shuō)。
科學(xué)家沒(méi)有直接觀(guān)察元素117。相反，他們尋找了其發(fā)射阿爾法粒子出現(xiàn)放射性衰退后的衰變產(chǎn)物——擁有2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子的氦核?！爸睾四艹霈F(xiàn)阿爾法衰變產(chǎn)生115號(hào)元素，并且這種元素也會(huì)出現(xiàn)阿爾法衰變?！?月1日發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》上的相關(guān)論文第一作者、GSI的Jadambaa Khuyagbaatar說(shuō)。
在這種衰變鏈進(jìn)行更多幾步之后，原子核產(chǎn)物之一是同位素鐒266，其原子核擁有103個(gè)質(zhì)子和163個(gè)中子。之前已知的鐒同位素的中子數(shù)量較少，并且穩(wěn)定性也較差。但是，這種新奇元素的半衰期竟長(zhǎng)達(dá)11個(gè)小時(shí)，這使其成為到目前為止已知的最長(zhǎng)壽超重同位素?！耙苍S我們已經(jīng)到達(dá)‘穩(wěn)定島’的岸邊?！?Dullmann說(shuō)。
但沒(méi)有人能確定這個(gè)島在哪里，甚至它是否存在。相關(guān)理論建議，除了已知的，下個(gè)神秘?cái)?shù)字可能是108、110或114個(gè)質(zhì)子和184個(gè)中子。據(jù)計(jì)算，這些組合將能促成特殊的性質(zhì)，這允許其原子能比類(lèi)似物質(zhì)存活更久?！皩?duì)于元素116、117和118的所有現(xiàn)存數(shù)據(jù)確實(shí)證明，生命周期增加接近中子數(shù)184。”未參與研究的橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室理論物理學(xué)家Witold Nazarewicz說(shuō)，“這是鼓舞人心的?！?/p>
超重幻數(shù)核可能會(huì)有能確保穩(wěn)定性的有趣形狀，例如所謂的中部有孔洞的氣泡結(jié)構(gòu)?！暗@些從未被發(fā)現(xiàn)，不過(guò)目前對(duì)該領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)正在到達(dá)泡沫范圍的邊緣。”Nazarewicz說(shuō)。
如果“穩(wěn)定島”確實(shí)存在，那么其原子核持續(xù)多久將不再有限制。它們將被證明足夠穩(wěn)定并能在自然界中被發(fā)現(xiàn)。很多尋找是基于這些超重元素已經(jīng)存在，或許它們形成于許多強(qiáng)有力的宇宙事件，例如兩個(gè)中子星的融合。盡管目前尚未發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家仍對(duì)“穩(wěn)定島”已近在眼前抱有希望。
近年來(lái)科學(xué)家合成了一系列超重元素，第114號(hào)和第116號(hào)元素已正式成為元素周期表的新成員。元素周期表含有92種天然形成的元素，從原子數(shù)為1的氫到原子數(shù)為92的鈾。每一個(gè)元素根據(jù)原子核中的質(zhì)子數(shù)量定義。而序號(hào)在92以后的重元素在自然界中難以穩(wěn)定存在，104號(hào)及以后的元素被稱(chēng)為超重元素，壽命更加短暫，迄今為止所有的超重元素均為人工合成。（張章）
《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2014-05-14 第3版 國(guó)際)
聯(lián)系客服
