宇宙中最重的元素是什么?有無數(shù)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(shù)為 92(原子序數(shù)為“Z”)。但科學家已成功合成超重元素，最高可達鉈，其原子序數(shù)為 118。緊隨其后的是鉈，質(zhì)子數(shù)為 116;鉈，質(zhì)子數(shù)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，一組來自美國和歐洲的科學家想出了一種超越現(xiàn)有主導技術的超重元素生產(chǎn)新方法。他們的研究成果在加州勞倫斯伯克利國家實驗室完成，發(fā)表在《物理評論快報》上。
勞倫斯伯克利國家實驗室的 JM Gates 及其同事在論文中寫道：“如今，‘穩(wěn)定島’的概念仍然是一個有趣的話題，其在塞格雷圖上的確切位置和范圍仍然是理論和實驗核物理學界積極研究的課題。”
穩(wěn)定島是一個區(qū)域，在這個區(qū)域中，超重元素及其同位素(質(zhì)子數(shù)相同但中子數(shù)不同的原子核)的半衰期可能比其附近的元素長得多。預計 Z=112 附近的同位素會出現(xiàn)這種情況。
雖然目前已有多種技術來發(fā)現(xiàn)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，具體來說是鈣的同位素48-鈣 ( 48 Ca )，它有 20 個質(zhì)子和 28 (48 減 20) 個中子。錒系元素的質(zhì)子數(shù)從 89 到 103，而48 Ca 的特殊之處在于它的質(zhì)子和中子數(shù)均為“神奇數(shù)字”，這意味著它們的數(shù)量完全填滿了原子核中可用的能量殼層。
質(zhì)子和/或中子數(shù)為神奇數(shù)意味著原子核極其穩(wěn)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 只多一個中子，在大約 9 分鐘內(nèi)衰變一半。)
這些反應被稱為“熱聚變”反應。另一種技術是將 50 鈦到 70 鋅的同位素束加速到鉛或鉍的目標上，這被稱為“冷聚變”反應。通過這些反應發(fā)現(xiàn)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間越來越長，有時需要數(shù)周時間才能完成，而生產(chǎn)新超重元素所需的時間是通過反應截面來量化的，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(wěn)定島如此之近，科學家們需要比銪更進一步的技術。锿或鐨本身就是超重元素，因此無法充分生產(chǎn)出合適的靶。
蓋茨和他的團隊寫道：“我們需要一種新的應對方法。”而這正是他們發(fā)現(xiàn)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(shù)，例如光束的必要能量，實驗人員還未測量模型所需的某些質(zhì)量。確切的數(shù)字很重要，因為否則超重元素的生產(chǎn)率可能會有很大差異。
已經(jīng)嘗試過幾次實驗，試圖產(chǎn)生質(zhì)子數(shù)從 119 到 122 的原子。但所有實驗都不令人滿意，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驗室的 88 英寸回旋加速器，產(chǎn)生了平均每秒 6 萬億個鈦離子從回旋加速器射出的離子束。這些離子在 22 天內(nèi)撞擊了圓形面積為 12.2 厘米的钚靶。通過一系列測量，他們確定 290-Livermorium 是通過兩種不同的核衰變鏈產(chǎn)生的。
他們總結(jié)道：“這是首次報道使用 48-鈣以外的束流在預測的穩(wěn)定島附近生成超重元素 (SHE)。”反應截面或相互作用概率確實有所下降，這與較重束流同位素的預期一致，但“這次測量的成功證實了發(fā)現(xiàn)新的超重元素確實是在實驗范圍內(nèi)。”
這次發(fā)現(xiàn)代表著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，希望為未來的發(fā)現(xiàn)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，等待通過此類新技術發(fā)現(xiàn)。
