科普之窗

119号新元素,我们来了!

冯杰

2024-05-16 02:01

本报记者 齐芳 本报通讯员 尹经敏
光明日报( 2024年05月09日 16版)

古人认为,元素是物质世界最简单的组成部分。近现代科学则给了化学元素精确的定义:具有相同的核电荷数(核内质子数)的一类原子的总称。到目前为止,人类已经发现了118种元素,最后的26种(从92号元素往后),都是人工合成的。如今,合成第119号新元素的竞争,已经悄然展开。

元素周期表,有穷尽吗

氢、氦、锂、铍、硼……这就是元素周期表。在这张表格中,元素按照周期律排列,它们的性质,随着元素原子序数(即原子核外电子数或核电荷数)的增加,呈周期性变化。元素周期律的发现,是化学学科发展中的重要里程碑,让化学摆脱了单一元素或物质的发现,逐渐形成系统。而元素周期律的影响也不仅仅局限在化学领域,它成为科学研究的重要基础,极大地改变了科学的面貌。

关于元素周期律的发现,有这样一个故事。19世纪进入了科技大爆发时代,很多元素相继被发现。但这些发现是零散的。包括俄国化学家门捷列夫在内的化学家们一直在思考,元素性质有没有规律?它们是有内在的联系,还是仅仅是大自然偶尔为之、不成体系?门捷列夫日思夜想,甚至因为用脑过度,经常发生眩晕。功夫不负有心人。1869年,在他35岁的某一天,因疲劳入睡的他,在梦中,看到了一张表格,元素们在这张表格上整齐排列。门捷列夫从梦中惊醒,就此发现了元素周期律。

这个带有戏剧色彩的故事,如今很难再考证其真伪,或许仅仅是后人为激励广大学子穿凿附会的。但这并不妨碍元素周期律成为科学史上最伟大的发现之一。门捷列夫在前人工作的基础上,批判继承、创新发展,经过异常艰苦的研究,将看似复杂并毫无关联的元素发现,变得系统而有规律。

根据这一定律,门捷列夫编制出第一张元素周期表,已经被发现的63种元素,都在这张表格中。还有的尚未被发现,但它们一定存在。比如,门捷列夫预言了钪、镓等元素的存在,并描述了它们的性质。他还认为,有些元素原子量的测量是错误的,一旦被纠正,它们一定会符合元素周期律。比如金元素。当时人们认为金的原子量是196.2,应该排在锇、铱、铂之前,但这与元素周期律相悖。门捷列夫认为,这几种元素原子量的测量可能是错误的,金应该排在它们之后。重测之后,果然证实了门捷列夫是正确的。

在之后的100多年间,元素周期律指导着人们发现新元素、新材料,不断探索物质世界的奥秘。如今,人类一共发现了118种元素,元素周期表正表中正好形成7个完整的周期,16个族——每一行,称为一个周期;每一列,称为一个族。这张表格中蕴藏着很多规律,例如,同一周期内,从左到右,元素金属性逐渐减弱,非金属性逐渐增强。同一族内,从上到下,金属性逐渐增强,非金属性逐渐减弱。

中国科学院近代物理研究所(以下简称“近代物理所”)研究员张志远介绍:“自然界中存在的最重的元素是原子序数为92号的铀元素,比铀元素更重的元素的首次发现都是通过人工方法实现的。也就是说,第7周期中的绝大部分元素,都是人工合成的。”

那么,元素周期表有没有尽头?全球科学家都想得到答案。张志远说:“118号之后有没有119号?元素周期表还能不能续下去?追寻问题的答案,不仅是对现有科学理论的重要检验,而且每一种新元素的发现,都能带来科学的进步、行业的提升,在发现新元素过程中发展的各种技术和方法,也有很广阔的应用前景,比如同位素药物、放射性燃料的处理等。”

发现新核素,中国冲在了前面

在说合成新元素之前,我们先来说说合成新核素。

元素,是具有相同核电荷数,即相同质子数的同一类原子的总称。核素,是具有一定数目质子和一定数目中子的一种原子。一种元素可有多种核素,同一元素的不同核素,也就是质子数相同但中子数不同的原子,互称为同位素。

目前,自然界中天然存在280多种核素,人工合成的则有3300多种核素。而根据相关理论预言,人类能够认识的核素可能达到8000到10000种。研究这些核素的衰变性质、探索核素存在的极限,不仅具有重要的科学意义,也可以应用到生活的各个方面。比如,目前很“火”的同位素药物,用的方法,就是合成新核素的方法。

而发现新核素,也可以看成是发现新元素前的“储备”和“预演”。

由于条件的限制,我国的核素合成研究开展较晚,但在20世纪末实现突破后,在以后近30年的时间里取得了很大的进展。根据相关统计,我国已经合成了40种新核素,近代物理所合成了其中的38种,排在全球11位。

近代物理所可谓我国发现新核素的中坚力量。20世纪90年代初,研究所利用当时相对简单的条件,开始了新核素的合成研究,发展了氦喷嘴传输,采用带(转轮)传输技术,“跑兔”装置及化学分离的方法,利用国内能够提供的中子、质子、重离子等束流,发现了新核素208Hg,随后陆续发现了185Hf、186Hf、209Hg、237Th、238Th、175Er、197Os等核素,1996年合成了我国首个超铀新核素235Am,2000年合成了首个超重新核素259Db,使我国的新核素合成达到了超重核区。

到了这里,合成新核素又进入了瓶颈——氦喷嘴、化学分离等方法限制了研究核素半衰期的下限。近代物理所开始发展新“武器”,研究人员研制了充气反冲核谱仪,并于2015年成功观测到新核素205Ac。截至目前,利用这个仪器,共观测到14种新核素,其中合成的新核素222Np其半衰期达到了300多纳秒,几乎达到该装置研究的极限;通过测量合成的214U、216U新核素性质,结合铀缺中子核素的已知数据发现了α粒子结团效应反常增强现象;通过系统研究合成的219Np和220Np等新核素的性质发现中子数为126中子壳效应对极端缺中子镎同位素的影响依然存在,同时确定了镎元素的质子滴线位置,这是目前已知质子滴线的最重元素;合成的新核素160Os及156W的衰变性质表明,该区域阿尔法衰变概率存在减小的现象,说明质子数为82、中子数也为82的双幻核164Pb可能存在一定的稳定性。这些研究都得到了国际学术界的高度关注。

那么,问题来了,新核素研究我们已经冲到了前面,新元素研究呢?

合成新元素,119号已在准备

92号铀元素之后,人类穷尽科技手段,合成了26种新元素。

其中,原子序数大于103的元素被称为超重元素。113号到118号超重元素是在2016年前后,分别由日本、俄罗斯、美国等国家的科学家发现并命名的。这些新元素的发现大多是在加速器或借助核反应堆来完成的。

科学家们利用加速器产生高能量离子束,轰击特定的靶材,发生核反应,产生新元素。不得不说,其中多少有些运气的成分。但决定性的因素,还是加速器的能量和束流强度等指标。这些新元素的半衰期非常短,通俗地讲,它们不可能长时间存在于地球自然环境中,因此,需要通过反复多次实验,获得足够多的事例,才能进行鉴定和测量。

但在这之后,发现的脚步停滞了。张志远说:“119号元素意味着,要让原子核里面有119个质子,要合成这样的原子核非常困难。原来的合成技术不再适用了,必须寻找新的实验路线才有可能合成119号元素。”

合成新元素,需要新的产生方法,实验条件更需要提升。研究者们认为,进一步提高束流强度可能是目前最有效的解决途径。当前,德国、美国正建设大科学工程,俄罗斯已经建成超重工厂,日本也进一步提升了其加速器性能,以期首先实现突破,合成119号元素。有人评论,超重核研究处于突破的前夜。

机会平等地对待每一个国家,我国也做好了准备。

在我国,关于新元素合成的理论及实验研究已具备了一定的基础,实验装备也正在更新换代。2019年5月,近代物理所开始研制中国超重元素研究加速器装置,将原有的质子直线加速器改造升级为重离子加速器。装置于2022年2月建成,已成功实现了14.8粒子微安流强、224兆电子伏能量的氩-40束流稳定运行,目前已经稳定运行了10000多个小时,成为国际上技术领先的新元素研究利器。2023年11月,利用这台装置,研究人员成功验证了115号元素的合成。

近代物理所所长、孙志宇研究员介绍:“这让研究的效率有了极大的提升。比如说我要合成115号元素,在1个粒子微安的束流条件下,一天大概可以得到1个115号元素的粒子。但是如果有10个粒子微安的束流,那么同样一天就可以得到10个粒子,那样在相同的时间内,科研人员就可以做更精细的研究或者可以得到一些产生概率更低的元素。”

中国超重元素研究加速器装置正在更新换代,将进一步提升束流强度,几年后可提供新元素合成的最佳束流条件。孙志宇说:“通过改造,我们已经能够提供3粒子微安以上的重离子束流,近期可提供大于10粒子微安的Z≤28离子束流,并同时建成了新的充气反冲谱仪,效率可在40%以上,已经具备了与国际先进实验室在新元素合成方面进行竞争的能力。”

119号元素的神秘面纱,或许就将在这里揭开!


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2024-05-16 10:02
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