119號新元素，我們來了！
古人認為，元素是物質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)(核內質子數(shù))的一類原子的總稱。到目前為止，人類已經發(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，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域，它成為科學研究的重要基礎，極大地改變了科學的面貌。
關于元素周期律的發(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的化學家們一直在思考，元素性質有沒有規(guī)律？它們是有內在的聯(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上，批判繼承、創(chuàng)新發(fā)展，經過異常艱苦的研究，將看似復雜并毫無關聯(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，門捷列夫預言了鈧、鎵等元素的存在，并描述了它們的性質。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，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，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)展的各種技術和方法，也有很廣闊的應用前景，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)，即相同質子數(shù)的同一類原子的總稱。核素，是具有一定數(shù)目質子和一定數(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)相關理論預言，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、探索核素存在的極限，不僅具有重要的科學意義，也可以應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)相關統(tǒng)計，我國已經合成了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(轉輪)傳輸技術，“跑兔”裝置及化學分離的方法，利用國內能夠提供的中子、質子、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，結合鈾缺中子核素的已知數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)了α粒子結團效應反常增強現(xiàn)象；通過系統(tǒng)研究合成的219Np和220Np等新核素的性質發(fā)現(xiàn)中子數(shù)為126中子殼效應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子滴線位置，這是目前已知質子滴線的最重元素；合成的新核素160Os及156W的衰變性質表明，該區(qū)域阿爾法衰變概率存在減小的現(xiàn)象，說明質子數(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界的高度關注。
那么，問題來了，新核素研究我們已經沖到了前面，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堆來完成的。
科學家們利用加速器產生高能量離子束，轟擊特定的靶材，發(fā)生核反應，產生新元素。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個質子，要合成這樣的原子核非常困難。原來的合成技術不再適用了，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、美國正建設大科學工程，俄羅斯已經建成超重工廠，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，關于新元素合成的理論及實驗研究已具備了一定的基礎，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，目前已經穩(wěn)定運行了10000多個小時，成為國際上技術領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，科研人員就可以做更精細的研究或者可以得到一些產生概率更低的元素�！�
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。”
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 尹經敏)
來源：光明日報