119號新元素，我們來了！
古人認為，元素是物質(zhì)世界最簡單的組成部分。近現(xiàn)代科學則給了化學元素精確的定義：具有相同的核電荷數(shù)(核內(nèi)質(zhì)子數(shù))的一類原子的總稱。到目前為止，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了118種元素，最后的26種(從92號元素往后)，都是人工合成的。如今，合成第119號新元素的競爭，已經(jīng)悄然展開。
元素周期表，有窮盡嗎
氫、氦、鋰、鈹、硼……這就是元素周期表。在這張表格中，元素按照周期律排列，它們的性質(zhì)，隨著元素原子序數(shù)(即原子核外電子數(shù)或核電荷數(shù))的增加，呈周期性變化。元素周期律的發(fā)現(xiàn)，是化學學科發(fā)展中的重要里程碑，讓化學擺脫了單一元素或物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)，逐漸形成系統(tǒng)。而元素周期律的影響也不僅僅局限在化學領(lǐng)域，它成為科學研究的重要基礎(chǔ)，極大地改變了科學的面貌。
關(guān)于元素周期律的發(fā)現(xiàn)，有這樣一個故事。19世紀進入了科技大爆發(fā)時代，很多元素相繼被發(fā)現(xiàn)。但這些發(fā)現(xiàn)是零散的。包括俄國化學家門捷列夫在內(nèi)的化學家們一直在思考，元素性質(zhì)有沒有規(guī)律？它們是有內(nèi)在的聯(lián)系，還是僅僅是大自然偶爾為之、不成體系？門捷列夫日思夜想，甚至因為用腦過度，經(jīng)常發(fā)生眩暈。功夫不負有心人。1869年，在他35歲的某一天，因疲勞入睡的他，在夢中，看到了一張表格，元素們在這張表格上整齊排列。門捷列夫從夢中驚醒，就此發(fā)現(xiàn)了元素周期律。
這個帶有戲劇色彩的故事，如今很難再考證其真?zhèn)?，或許僅僅是后人為激勵廣大學子穿鑿附會的。但這并不妨礙元素周期律成為科學史上最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。門捷列夫在前人工作的基礎(chǔ)上，批判繼承、創(chuàng)新發(fā)展，經(jīng)過異常艱苦的研究，將看似復雜并毫無關(guān)聯(lián)的元素發(fā)現(xiàn)，變得系統(tǒng)而有規(guī)律。
根據(jù)這一定律，門捷列夫編制出第一張元素周期表，已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)的63種元素，都在這張表格中。還有的尚未被發(fā)現(xiàn)，但它們一定存在。比如，門捷列夫預(yù)言了鈧、鎵等元素的存在，并描述了它們的性質(zhì)。他還認為，有些元素原子量的測量是錯誤的，一旦被糾正，它們一定會符合元素周期律。比如金元素。當時人們認為金的原子量是196.2，應(yīng)該排在鋨、銥、鉑之前，但這與元素周期律相悖。門捷列夫認為，這幾種元素原子量的測量可能是錯誤的，金應(yīng)該排在它們之后。重測之后，果然證實了門捷列夫是正確的。
在之后的100多年間，元素周期律指導著人們發(fā)現(xiàn)新元素、新材料，不斷探索物質(zhì)世界的奧秘。如今，人類一共發(fā)現(xiàn)了118種元素，元素周期表正表中正好形成7個完整的周期，16個族——每一行，稱為一個周期；每一列，稱為一個族。這張表格中蘊藏著很多規(guī)律，例如，同一周期內(nèi)，從左到右，元素金屬性逐漸減弱，非金屬性逐漸增強。同一族內(nèi)，從上到下，金屬性逐漸增強，非金屬性逐漸減弱。
中國科學院近代物理研究所(以下簡稱“近代物理所”)研究員張志遠介紹：“自然界中存在的最重的元素是原子序數(shù)為92號的鈾元素，比鈾元素更重的元素的首次發(fā)現(xiàn)都是通過人工方法實現(xiàn)的。也就是說，第7周期中的絕大部分元素，都是人工合成的。”
那么，元素周期表有沒有盡頭？全球科學家都想得到答案。張志遠說：“118號之后有沒有119號？元素周期表還能不能續(xù)下去？追尋問題的答案，不僅是對現(xiàn)有科學理論的重要檢驗，而且每一種新元素的發(fā)現(xiàn)，都能帶來科學的進步、行業(yè)的提升，在發(fā)現(xiàn)新元素過程中發(fā)展的各種技術(shù)和方法，也有很廣闊的應(yīng)用前景，比如同位素藥物、放射性燃料的處理等。”
發(fā)現(xiàn)新核素，中國沖在了前面
在說合成新元素之前，我們先來說說合成新核素。
元素，是具有相同核電荷數(shù)，即相同質(zhì)子數(shù)的同一類原子的總稱。核素，是具有一定數(shù)目質(zhì)子和一定數(shù)目中子的一種原子。一種元素可有多種核素，同一元素的不同核素，也就是質(zhì)子數(shù)相同但中子數(shù)不同的原子，互稱為同位素。
目前，自然界中天然存在280多種核素，人工合成的則有3300多種核素。而根據(jù)相關(guān)理論預(yù)言，人類能夠認識的核素可能達到8000到10000種。研究這些核素的衰變性質(zhì)、探索核素存在的極限，不僅具有重要的科學意義，也可以應(yīng)用到生活的各個方面。比如，目前很“火”的同位素藥物，用的方法，就是合成新核素的方法。
而發(fā)現(xiàn)新核素，也可以看成是發(fā)現(xiàn)新元素前的“儲備”和“預(yù)演”。
由于條件的限制，我國的核素合成研究開展較晚，但在20世紀末實現(xiàn)突破后，在以后近30年的時間里取得了很大的進展。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，我國已經(jīng)合成了40種新核素，近代物理所合成了其中的38種，排在全球11位。
近代物理所可謂我國發(fā)現(xiàn)新核素的中堅力量。20世紀90年代初，研究所利用當時相對簡單的條件，開始了新核素的合成研究，發(fā)展了氦噴嘴傳輸，采用帶(轉(zhuǎn)輪)傳輸技術(shù)，“跑兔”裝置及化學分離的方法，利用國內(nèi)能夠提供的中子、質(zhì)子、重離子等束流，發(fā)現(xiàn)了新核素208Hg，隨后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了185Hf、186Hf、209Hg、237Th、238Th、175Er、197Os等核素，1996年合成了我國首個超鈾新核素235Am，2000年合成了首個超重新核素259Db，使我國的新核素合成達到了超重核區(qū)。
到了這里，合成新核素又進入了瓶頸——氦噴嘴、化學分離等方法限制了研究核素半衰期的下限。近代物理所開始發(fā)展新“武器”，研究人員研制了充氣反沖核譜儀，并于2015年成功觀測到新核素205Ac。截至目前，利用這個儀器，共觀測到14種新核素，其中合成的新核素222Np其半衰期達到了300多納秒，幾乎達到該裝置研究的極限；通過測量合成的214U、216U新核素性質(zhì)，結(jié)合鈾缺中子核素的已知數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)了α粒子結(jié)團效應(yīng)反常增強現(xiàn)象；通過系統(tǒng)研究合成的219Np和220Np等新核素的性質(zhì)發(fā)現(xiàn)中子數(shù)為126中子殼效應(yīng)對極端缺中子镎同位素的影響依然存在，同時確定了镎元素的質(zhì)子滴線位置，這是目前已知質(zhì)子滴線的最重元素；合成的新核素160Os及156W的衰變性質(zhì)表明，該區(qū)域阿爾法衰變概率存在減小的現(xiàn)象，說明質(zhì)子數(shù)為82、中子數(shù)也為82的雙幻核164Pb可能存在一定的穩(wěn)定性。這些研究都得到了國際學術(shù)界的高度關(guān)注。
那么，問題來了，新核素研究我們已經(jīng)沖到了前面，新元素研究呢？
合成新元素，119號已在準備
92號鈾元素之后，人類窮盡科技手段，合成了26種新元素。
其中，原子序數(shù)大于103的元素被稱為超重元素。113號到118號超重元素是在2016年前后，分別由日本、俄羅斯、美國等國家的科學家發(fā)現(xiàn)并命名的。這些新元素的發(fā)現(xiàn)大多是在加速器或借助核反應(yīng)堆來完成的。
科學家們利用加速器產(chǎn)生高能量離子束，轟擊特定的靶材，發(fā)生核反應(yīng)，產(chǎn)生新元素。不得不說，其中多少有些運氣的成分。但決定性的因素，還是加速器的能量和束流強度等指標。這些新元素的半衰期非常短，通俗地講，它們不可能長時間存在于地球自然環(huán)境中，因此，需要通過反復多次實驗，獲得足夠多的事例，才能進行鑒定和測量。
但在這之后，發(fā)現(xiàn)的腳步停滯了。張志遠說：“119號元素意味著，要讓原子核里面有119個質(zhì)子，要合成這樣的原子核非常困難。原來的合成技術(shù)不再適用了，必須尋找新的實驗路線才有可能合成119號元素。”
合成新元素，需要新的產(chǎn)生方法，實驗條件更需要提升。研究者們認為，進一步提高束流強度可能是目前最有效的解決途徑。當前，德國、美國正建設(shè)大科學工程，俄羅斯已經(jīng)建成超重工廠，日本也進一步提升了其加速器性能，以期首先實現(xiàn)突破，合成119號元素。有人評論，超重核研究處于突破的前夜。
機會平等地對待每一個國家，我國也做好了準備。
在我國，關(guān)于新元素合成的理論及實驗研究已具備了一定的基礎(chǔ)，實驗裝備也正在更新?lián)Q代。2019年5月，近代物理所開始研制中國超重元素研究加速器裝置，將原有的質(zhì)子直線加速器改造升級為重離子加速器。裝置于2022年2月建成，已成功實現(xiàn)了14.8粒子微安流強、224兆電子伏能量的氬-40束流穩(wěn)定運行，目前已經(jīng)穩(wěn)定運行了10000多個小時，成為國際上技術(shù)領(lǐng)先的新元素研究利器。2023年11月，利用這臺裝置，研究人員成功驗證了115號元素的合成。
近代物理所所長、孫志宇研究員介紹：“這讓研究的效率有了極大的提升。比如說我要合成115號元素，在1個粒子微安的束流條件下，一天大概可以得到1個115號元素的粒子。但是如果有10個粒子微安的束流，那么同樣一天就可以得到10個粒子，那樣在相同的時間內(nèi)，科研人員就可以做更精細的研究或者可以得到一些產(chǎn)生概率更低的元素。”
中國超重元素研究加速器裝置正在更新?lián)Q代，將進一步提升束流強度，幾年后可提供新元素合成的最佳束流條件。孫志宇說：“通過改造，我們已經(jīng)能夠提供3粒子微安以上的重離子束流，近期可提供大于10粒子微安的Z≤28離子束流，并同時建成了新的充氣反沖譜儀，效率可在40%以上，已經(jīng)具備了與國際先進實驗室在新元素合成方面進行競爭的能力?！?/p>
119號元素的神秘面紗，或許就將在這里揭開！
(本報記者 齊芳 本報通訊員 尹經(jīng)敏)
來源：光明日報