宇宙中最重的元素是什么?有無(wú)數種元素嗎?超重元素在哪里以及如何自然產(chǎn)生?
已知最重的元素是鈾，質(zhì)子數為 92(原子序數為“Z”)。但科學(xué)家已成功合成超重元素，最高可達鉈，其原子序數為 118。緊隨其后的是鉈，質(zhì)子數為 116;鉈，質(zhì)子數為 117。
所有元素的半衰期都很短，即元素原子的一半衰變所需的時(shí)間，通常不到一秒，有些甚至短至一微秒。制造和檢測這些元素并不容易，需要強大的粒子加速器和精密的測量。
但生產(chǎn)高 Z 元素的典型方法已達到極限。為此，一組來(lái)自美國和歐洲的科學(xué)家想出了一種超越現有主導技術(shù)的超重元素生產(chǎn)新方法。他們的研究成果在加州勞倫斯伯克利國家實(shí)驗室完成，發(fā)表在《物理評論快報》上。
勞倫斯伯克利國家實(shí)驗室的 JM Gates 及其同事在論文中寫(xiě)道：“如今，‘穩定島’的概念仍然是一個(gè)有趣的話(huà)題，其在塞格雷圖上的確切位置和范圍仍然是理論和實(shí)驗核物理學(xué)界積極研究的課題。”
穩定島是一個(gè)區域，在這個(gè)區域中，超重元素及其同位素(質(zhì)子數相同但中子數不同的原子核)的半衰期可能比其附近的元素長(cháng)得多。預計 Z=112 附近的同位素會(huì )出現這種情況。
雖然目前已有多種技術(shù)來(lái)發(fā)現超重元素并創(chuàng )建其同位素，但最有成效的方法之一是用鈣原子束轟擊錒系元素的目標，具體來(lái)說(shuō)是鈣的同位素48-鈣 ( 48 Ca )，它有 20 個(gè)質(zhì)子和 28 (48 減 20) 個(gè)中子。錒系元素的質(zhì)子數從 89 到 103，而48 Ca 的特殊之處在于它的質(zhì)子和中子數均為“神奇數字”，這意味著(zhù)它們的數量完全填滿(mǎn)了原子核中可用的能量殼層。
質(zhì)子和/或中子數為神奇數意味著(zhù)原子核極其穩定;例如，48 Ca 的半衰期約為 600 億億(6 x 10 19)年，遠遠大于宇宙的年齡。(相比之下，49 Ca 只多一個(gè)中子，在大約 9 分鐘內衰變一半。)
這些反應被稱(chēng)為“熱聚變”反應。另一種技術(shù)是將 50 鈦到 70 鋅的同位素束加速到鉛或鉍的目標上，這被稱(chēng)為“冷聚變”反應。通過(guò)這些反應發(fā)現了高達 oganesson (Z=118) 的超重元素。
但生產(chǎn)新的超重元素所需的時(shí)間越來(lái)越長(cháng)，有時(shí)需要數周時(shí)間才能完成，而生產(chǎn)新超重元素所需的時(shí)間是通過(guò)反應截面來(lái)量化的，反應截面可以測量超重元素的發(fā)生概率。由于距離預測的穩定島如此之近，科學(xué)家們需要比銪更進(jìn)一步的技術(shù)。锿或鐨本身就是超重元素，因此無(wú)法充分生產(chǎn)出合適的靶。
蓋茨和他的團隊寫(xiě)道：“我們需要一種新的應對方法。”而這正是他們發(fā)現的。
原子核的理論模型已成功預測了使用錒系元素靶和 48-鈣同位素束在銪系以下產(chǎn)生超重元素的速率。這些模型還認為，要產(chǎn)生 Z=119 和 Z=120 的元素，50-鈦束效果最好，具有最高的截面。
但理論家們并未確定所有必要參數，例如光束的必要能量，實(shí)驗人員還未測量模型所需的某些質(zhì)量。確切的數字很重要，因為否則超重元素的生產(chǎn)率可能會(huì )有很大差異。
已經(jīng)嘗試過(guò)幾次實(shí)驗，試圖產(chǎn)生質(zhì)子數從 119 到 122 的原子。但所有實(shí)驗都不令人滿(mǎn)意，它們確定的截面極限不允許不同的理論核模型受到約束。蓋茨和他的團隊通過(guò)將 50-鈦照射到 244-Pu(钚)靶上，研究了鉈(Z=116)同位素的產(chǎn)生。
該團隊利用勞倫斯伯克利國家實(shí)驗室的 88 英寸回旋加速器，產(chǎn)生了平均每秒 6 萬(wàn)億個(gè)鈦離子從回旋加速器射出的離子束。這些離子在 22 天內撞擊了圓形面積為 12.2 厘米的钚靶。通過(guò)一系列測量，他們確定 290-Livermorium 是通過(guò)兩種不同的核衰變鏈產(chǎn)生的。
他們總結道：“這是首次報道使用 48-鈣以外的束流在預測的穩定島附近生成超重元素 (SHE)。”反應截面或相互作用概率確實(shí)有所下降，這與較重束流同位素的預期一致，但“這次測量的成功證實(shí)了發(fā)現新的超重元素確實(shí)是在實(shí)驗范圍內。”
這次發(fā)現代表著(zhù)非魔核碰撞首次顯示出產(chǎn)生其他超重原子和同位素(兩者皆有)的潛力，希望為未來(lái)的發(fā)現鋪平道路。已知存在約 110 種超重元素同位素，但預計還有 50 種同位素存在，等待通過(guò)此類(lèi)新技術(shù)發(fā)現。
