元素周期表的绝顶是一个无法根据现存端正进行臆度的区域。在这里，从原子序数为104（[图一]，元素标志为Rf）启动的系数元素hongkongdoll video，齐从未在当然界中被发现过。事实上，它们很清醒不肯意出当今这里。因为它们的原子核会在自身酿成的须臾，通过裂变或放射性衰变将自身扯破开来，由此开释出其内含的系数质子和中子。

1·元素周期的界限

超重元素是元素周期表中第104号及之后的元素：从[图一]启动，然后是[图二]（Db）、[图三]（Sg）、[图四]（Bh）等具有奇特质质的元素，一直到有史以来产生的最重元素，即名为[图五]（Og）的第118号元素。东说念主类仅制造出数量少许的超重元素。甘休2020年，距离初度在实验室中到手合成出已有18年，科学家论说称他们整个制造出了5个原子。即便他们不错制造更多的原子，它也恒久不会是那种不错拿在手里的东西，因为具有很强的放射性，会自行瓦解而开释出巨额热量。运用“一次一个原子”的超快技能，联系东说念主员开启了对元素周期表中未知区域的探索。他们发现，就像任何中叶纪制图师对天下的思象雷同，那些未知区域十分奇妙。在这片未知的化学元素周期表的界限，原子有许多奇特的性质，包括南瓜形的原子核，以及电子与原子核间极强的相互作用，而使电子受相对论轨则的拘谨，这样的电子与围绕黑洞运行的物体莫得什么不同。

这些超重元素的性质可能会揭示更多对于在大规模天体物理表象（包括超新星和中子星合并）中产生的原始元素的信息。但不仅如斯，联系这类奇特物资可能有助于科学家一语气咱们周围当然存在的、更为典型的物资。跟着联系东说念主员在这些原子的细目和测量方面作念得越来越好，他们正在拓展领先建议的元素周期表的界限。“元素周期表是化学中最基本的器用，”好意思国密歇根州立大学爱戴同位素束流安设的表面核物理学家和首席科学家维托尔德·纳扎雷维奇说，“元素周期表的界限是什么？原子物理学的界限在那里？化学的绝顶又在那里？”

2·超重元素的产生

在好意思国劳伦斯伯克利国度实验室一个被称作“1号实验洞”的混凝土走廊里，距离天下上为数未几的一台不错合成超重原子的仪器唯有几步的墙上贴着一张海报大小的表格，其中元素是按照核素（具有特定质子和中子数量、处于特定核能态的原子）来陈设的，或者说是根据原子核中质子和中子的数量来陈设的。这张图表展示了系数已知对于元素的核结构、衰变以及同位素（具有相通质子数而中子数不同的元素变体）的信息。

这是一份不断被裁剪和更新的文档。图表上的持重是在2006年印刷后用标志笔加上去的。这些标志就像原子物理学的帆海家在漂荡顶用铅笔标注新“岛屿”雷同。不外，在这种刻画下，岛屿指的是元素中领有更多质子数的同位素，它们只可在粒子加快器这样的安设中能力看到。在这片区域内，制造一个你思要的原子可能需要一周的时辰，因此记载实验的进展至关贫困。

“每个东说念主齐心爱手写的部分。”劳伦斯伯克利国度实验室重元素联系团队的指挥者杰克琳·盖茨说，“淌若咱们2023年才把它打印出来——”

“那就莫得这样道理了。”劳伦斯伯克利国度实验室的科学家珍妮弗·波雷补充说念。

“那就莫得这样道理了。”盖茨也对此透露赞同。

盖茨是一位核化学家，她幽默风趣，对我方及所在团队为合成超重元素而研制的安设情有独钟。他们在伯克利市山坡上的一个实验室里，用一个2.2米宽的回旋加快器（一种饱读形粒子加快器）将秩序尺寸的原子撞在沿途，由此制造出一些超重元素。这种回旋加快器的建造始于1958年，此前第一颗核弹爆炸时，科学家看到爆炸产生的千里降物会最终酿成新的放射性元素，如镄（原子序数为100）。如今，回旋加快器仍保留了领先的大部分结构；在限定室里，冷战时期通常出现的银色表盘的傍边，是20世纪80年代的米色面板和当代升级版的蓝色按钮。

1969年，第一种超重元素[图一]在这里合成了出来。[图一]元素得名于匡助诠释原子结构的欧内斯特·卢瑟福。再往前几年，位于俄罗斯杜布纳的融合原子核联系所也制造出了[图一]元素，这个团队还在2002岁首度合成出了[图五]元素，是以这一团队的指挥者尤里·奥加涅相的名字定名。从20世纪50年代末启动，创造新元素的竞争变得比用来制造它们的离子束还要火热。如今，围绕究竟是谁先合成了什么元素的热烈争论，主要发生在劳伦斯伯克利国度实验室和俄罗斯融合原子核联系所之间，这在历史上被称为“超镄元素干戈”。

到20世纪80年代，德国原子核联系机构亥姆霍兹重离子联系中心（其时被称作重离子联系学会）也加入了这场竞争。这三支团队竞相制造新元素，使元素周期表界限的原子序数越来越高，况兼他们依次领有新元素的定名权。1996年，联系东说念主员发现了[图六]元素（Cn），是第112号元素，以尼古拉斯·哥白尼的名字定名。围绕着超重元素的争论仍在持续。1999年，劳伦斯伯克利国度实验室的联系东说念主员晓喻发现了第116号元素，但在发现他们其中的一位科学家伪造把柄后，他们除去了这一声明。自后在2000年，俄罗斯融合原子核联系所到手制造了这种元素。当今第116号元素名为[图七]（Lv），以好意思国劳伦斯利弗莫尔国度实验室的名字定名。2004年，日本理化学联系所合成出了第113号元素，名为[图八]（Nh），以日语中的“日本”定名。固然第118号元素是有史以来合成的最重的元素，但最近发现的超重元素现实上是第117号元素[图九]（Ts），于2010年由俄罗斯融合原子核联系所晓喻；科学家将第117号元素定名为[图九]，是为了顾虑参与实验的几个机构所在的田纳西州。

制造更重元素的竞赛执续到今天，这不仅是因为联系东说念主员不断到手细目了元素周期表中的新元素，还因为表面学家预言，质子和中子的某种组合可能会酿成相对踏实的元素，即位于“踏实岛”的元素，这样的元素不会立即衰变。“一些表面预言这些元素的半衰期为一年、100天或1000天。”物理学家兼日本理化学联系所核化学团队的负责东说念主羽场宏光说。该团队咫尺正在寻找第119号元素。

半衰期指的是一种物资毛糙一半的原子发生衰变所需的时辰。唯有物资的半衰期够长，东说念主类才简单进行贫困的实验，或是用之于新技能。不外，咫尺对超重元素的联系主要集结在它们的基人性质以及它们所揭示的核能源学上，而不是它们手脚材料自己的用途。可是，这并不料味着它们最终不会变得有效。“咱们当今所作念的一切……还莫得现实的应用，”盖茨说，“但你看你的手机，淌若要精良系数与之干系技能的发源，那么就要回到青铜器期间。那时，东说念主们还不知说念那些技能会产生如今的竖立，而当今这些竖立成了咱们系数东说念主齐离不开况兼实足依赖的东西。那么超重元素有效吗？咱们这一代东说念主也许无法见证超重元素的现实应用了，但在一两代东说念主之后，当咱们领有更好的技能，况兼不错更容易地制造超重元素的时候，它的用处也许就会表示。”

3·怎么东说念主为制造超重原子

合成这些元素绝非易事。通过靶向材料辐射一束重离子（这里指失去电子、质地较大的原子核），联系东说念主员但愿能克服两个带正电的原子核之间的静电摒除力，从而迫使它们交融在沿途。在劳伦斯伯克利国度实验室，离子束的开端是一个名为VENUS（意为“核科学通用电子回旋共振离子源”）的安设，它位于回旋加快器的顶部，前列的围栏上贴着辐射劝诫的标志。在VENUS中，微波和强磁场的结合不错将电子从遴选的元素（在盖茨的实验中平凡是钙或氩）中剥离出来。接着，由此产生的离子沿着管说念射入回旋加快器，然后在加快器的环形轨说念内作念回旋开放，并不断被加快。

限定室的技能东说念主员运用静电力请示离子束离开回旋加快器，并干预“实验洞”中的安设。“实验洞”是一条从回旋加快器向外蔓延的低矮走廊，就像辐条雷同。“实验洞”里含有束流打靶，而“1号实验洞”中的靶是一个直径与沙拉盘差未几大的薄金属箔。“实验时靶会旋转起来，以幸免离子束永劫辰轰击某一个点。不然靶会在高速离子的执续轰击下熔解。”盖茨说。

靶由什么材料制成取决于科学家思要的最终家具有几许个质子。举例，[图十]元素（Fl）有114个质子，以创立了融合原子核联系所的苏联物理学家格奥尔基·弗廖罗夫的名字定名，为了合成[图十]，科学家需要用钙（20个质子）撞击钚（94个质子）。为了合成第118号元素，科学家用钙轰击锎（98个质子）。离子束中的中子越多，最终家具中的中子就越多，从而制成更重的同位素。大多时候，离子束会平直穿过靶，原子核之间不发生任何相互作用。但由于每秒有6万亿个离子穿过靶，最终总会出现一次原子核与原子核的碰撞。当条款赶巧符合时，这些碰撞会使原子核交融在沿途，产生一个新的超重原子，它的寿命十分短，且以每秒约600千米的速率移动。

为了放慢这些超重原子的速率，联系东说念主员运用氦气和电场将粒子请示至一个罗网中。他们还不错泵入其他气体，以不雅察超重元素在衰变之前会发生什么化学反映。但是，亥姆霍兹重离子联系中心超重元素化学联系团队的负责东说念主克里斯托夫·E.杜尔曼说，这唯有在超重元素存活时辰弥散长的情况下才可行。思要让化学反映发生并联系它们，联系东说念主员需要超重元素的半衰期在0.5秒以上。

为了定量分析超重原子出奇反映家具，科学家测量了它们在α衰变历程中开释的能量，原子在α衰变历程中会开释出一个α粒子（由两个质子和两个中子构成的氦原子核）。在劳伦斯伯克利国度实验室一个名为“陋室”的房间里，联系东说念主员惊悸地恭候着数据点，这些数据点不错告诉他们衰变产生的α粒子落在探伤器的什么位置，而这些粒子的历程揭示了肇端原子的干系信息，包括肇端原子的构成出奇资历的任何反映。很难思象这种化学反映现实是怎么发生的，劳伦斯伯克利国度实验室的波雷说，“这嗅觉简直就像是其他场地才会存在的历程。”

4·突破元素周期律

联系东说念主员用化学设施联系过的最重元素是[图十]（第114号元素），化学实验的竣事需要一定数量的元素，也需要元素具有一定的寿命，而[图十]是咱们不错创造出的可舒适上述条款的最重元素。杜尔曼透露，科学家每天差未几不错合成三个[图十]原子。“一个典型的实验需要毛糙一个月的运行时辰，”他说，“不是系数制出的原子齐能抵达你的化学安设，也不是每个到达安设里的原子最终齐会被探伤到。”而几个原子就能揭示许多东西。在[图十]被合成之前，一些表面预言它可能像爱戴气体雷同，十分踏实且无化学反映性，而另一些表面则合计它可能像金属，出奇是汞。2022年一项发表在《化学前沿》杂志上的联系作念了相关[图十]元素的实验，效果夸耀[图十]会施展出更奇特的性质。联系东说念主员发现，在室温下，[图十]与金会酿成强化学键，这实足不同于惰性气体。它还能在液氮温度（零下196摄氏度）下与金结合。奇怪的是，在介于这两种温度之间的温度下，[图十]元素却不会发生反映。

在元素周期表中，[图十]与惰性气体为“合并族”，但联系东说念主员合计[图十]既不惰性，也不是气体。2020年一项发表在《德国应用化学》上的联系标明，[图十]在室温下可能是固体，并在约52摄氏度时变成液体。新西兰梅西大学的表面化学家彼得·施韦特费格尔是这项联系的通信作家，施韦特费格尔透露，这样的例子有许多。

元素具有这些奇特质质的原因与电子相关。电子围绕原子核、在一定的能级上开放，电子能级也被称作壳层，每个壳层不错容纳特定数量的电子。最外层的电子负责与其他原子酿成化学键，因为偶而莫得弥散的电子来填满最外层。不错说，每个壳层代表了电子与原子核间的特定距离。尽管壳层中电子轨说念的现实旅途（称作轨说念）平凡远非粗略的圆形，而更像是哑铃、甜甜圈、泪珠状或其他构型。（根据量子力学，这些笼统仅透露在现实测量中电子可能出现的场地。换句话说，电子主要以概率局势出当今原子核周围的某个场地）

跟着原子核变得越来越重，周围电子会受到巨额正电荷的极大拉力，而被原子核眩惑得越来越近，行径空间也就收缩了。由于不细目性道理，即无法同期准确地知说念粒子的位置和速率，电子行径空间的减少意味着它们的速率一定会加多。很快，电子就能以接近光速的速率开放了。正如爱因斯坦的广义相对论所示，快速开放的物体会加多质地并出现非常。施韦特费格尔说，具体来说，超重原子核周围处于最粗劣态（最内层）的电子轨说念倾向于收缩，使得更多电子越来越围聚原子核。这些变化属于相对论效应鸿沟。

相对论效应也会在元素周期表的自然元素中存在。举例，金之是以呈淡黄色，是因为相对论效应收缩了其两个电子壳层间的症结，使金元素招揽和反射光的波长略有偏移。可是，相对论效应平凡不会在大多数轻元素的化学步履中起很大作用。这等于为什么元素周期表中元素的陈设是基于每个元素原子核中质子的数量。这种陈设神气不错将化学性质相似的物资归为一族，这些化学性质主要由外壳层中可酿成化学键的电子的数量决定。

劳伦斯伯克利国度实验室的波雷透露：“元素周期表本应告诉你元素化学性质的变化端正是什么。”但对于更重的元素，相对论效应启动起主导作用，元素周期表展现的端正就不再适用了。在2018年一项发表于《物理批驳快报》的联系中，施韦特费格尔和他的共事发现，由于相对论效应，[图五]的电子云看起来像一个庞大而笼统的暗影，壳层之间莫得清醒的分裂。

在超重核区之外，化学家也在争论某些元素在元素周期表中的位置。自2015年以来，海外隧说念与应用化学调知道的一个责任组一直在裁决第三列元素应该是镧和锕（第57号和第89号元素）照旧镥和铹（第71号和第103号元素）的争议。这场争议围绕着排布非常的电子：由于相对论效应，这些元素最外层绕行的电子所处的位置并不深信元素周期表的端正。经过9年的认真审议，东说念主们仍然莫得就怎么对这些元素进行分组达成共鸣。这样的问题只会在元素周期表的重元素一端变得愈加豪放淡薄。盖茨说：“咱们正试图探索这种排布是从那里启动出问题，以及元素周期表的端正是从那里启动不再适用的。”

除了鼓吹对化学元素周期表界限的探索，电子的开放还能让咱们一窥极点条款下的核能源学。在一个由质子和中子构成的原子核中，这些粒子之间的相互作用平凡会使原子核的样式发生变化，不同于原子透露图中呈现的典型球形。亥姆霍兹重离子联系中心的物理学家迈克尔·布洛克说，迄今探伤到的大多数超重元素的原子核齐是卵形，像橄榄球雷同。从表面上讲，尚未合成更重元素的原子核的样式可能像飞碟，甚而可能像中心为空或有低密度黑点的泡状物。科学家不错通过测量电子轨说念的狭窄变化来“看见”这些样式，而这些变化会受原子核中正电荷排布的影响。“这样咱们就能了解原子核的大小与样式了。”

原子核的布局是决定东说念主们能否合成寿命较长的超重元素的重要。一定数量的质子和中子（统称为核子）结合酿成的原子核十分踏实，这些数字被称为幻数。与电子雷同，核子也占据着壳层，而这些幻数代表了实足填满核子壳层时所需的数量。联系东说念主员一直但愿找到超重核踏实岛，而该踏实岛内尚未发现的超重元素或同位素很可能将是双幻数核，即原子核中质子和中子的数量均为幻数。

是否存在超重核踏实岛是一个悬而未决的问题，因为重核可能会自行瓦解，而不是容纳舒适特定要求数量的核子。密歇根州立大学的纳扎雷维奇批驳说念：“裂变是重核不踏实的原因。”

与通过α衰变使原子核的核子数（相对）清闲减少不同，核裂变是一次遽然且绝对的解体。纳扎雷维奇透露，就一个原子核在裂变变得不行幸免之前能容纳几许粒子，不同模子给出了不同的预言。表面学家正试图细目这一极限，以得知原子核究竟能有多大。

纳扎雷维奇指出，在原子核所能承受的边际存在一个道理的临界空间。要被指合计一个元素，原子核必须存活至少10～14秒，这是电子勾通并酿成一个原子所需的时辰。但从表面上讲，原子核的寿命不错短至10～21秒。纳扎雷维奇还说，在这个极小的时辰断绝内，你可能会发现莫得电子云、无法进行化学反映的原子核。“最重的元素已突破元素周期表律。”纳扎雷维奇说。问题是，这是在那里被绝对冲破的？另一种了解超重元素的设施是在天际中寻找它们。在当然界，比铁更重的元素不错通过一种名为快中子俘获的历程（也叫作r历程）酿成，这种历程通常发生在两颗中子星碰撞等不承诺肠的事件中。

5·在寰宇中寻找超重元素

亥姆霍兹重离子联系中心的天体物理学家加布里埃尔·马丁内斯-皮内多说，淌若超重元素依然在寰宇中当然出现过，那么它们亦然通过快中子俘获历程产生的。在这一历程中，一个“种子核”俘获隔壁的解放中子，赶紧加多质地以产生较重的同位素。这必须发生在一个有巨额中子解放漫游的环境中，这等于为什么中子星合并是符合的场合。

2017年，通过探伤相互作用产生的引力波，科学家初度不雅测到了中子星合并。“这是第一次阐明，快中子俘获历程果真会出当今两颗中子星合并的历程中，”马丁内斯-皮内多说。联系东说念主员在那次中子星合并中探伤到了镧系元素的同位素（原子序数为57到71），但正如他们其时在《当然》杂志上报说念的那样，他们无法细目其中到底存在什么元素。思要细目超重元素，联系东说念主员需要知说念这些元素所辐射和招揽的具有特殊波长的光，并将它们从一次这样的事件中产生的系数元素——中挑选出来，这使得探伤超重元素极为辣手。

可是，在2023年12月，天文体家在《科学》杂志上论说说，一些恒星中含有几种较轻的元素——钌、铑、钯和银，且它们的含量过高。这些元素的含量过高，很可能因为它们是重元素或超重元素裂变的家具。这些发现标明，含有多达260个质子和中子的原子核可能是通过快中子俘获历程酿成的。

马丁内斯-皮内多透露，中子星合并历程中产生的超重元素也会赶紧衰变，但知说念这些超重元素依然存在过这一丝，不错匡助科学家信写寰宇中的物资的历史。韦布空间千里镜和行将在智利启动的维拉·C.鲁宾天文台等，也许概况让科学家看到其他可产生超重元素的寰宇事件。马丁内斯-皮内多补充说念：“将来将会有新的引力波探伤器，从而使咱们概况以更高的精度看到更远的距离。”

在密歇根的爱戴同位素束流安设上，一种新的高能束流有望通过在同位素中注入比以往更多的中子，从而进一步了解快中子俘获历程。这些家具不是新的超重元素，而是较轻元素的重同位素。本年2月，联系东说念主员在《物理批驳快报》杂志上论说说，他们仅用束流预期功率输出的约0.37%，就创造出了铥、镱和镥元素的重同位素。在更高的功率水平下，他们应该概况合成其他种类的同位素，其中一些会最终衰变成更重的踏实金属（比如金）。“这可能为天体物理学提供了一条联系某些特殊同位素的阶梯。”密歇根州立大学的物理学家布拉德·谢里尔说。

与此同期，天下各地的其他科学家也在尝试提高他们的离子束强度并加多靶的数量，以便制造出118号以后的元素。此外，他们正在提高收罗和测量这些元素的精度。爱戴同位素束流安设的联系东说念主员蓄意将他们辩别粒子的能力提高10倍。亥姆霍兹重离子联系中心将很快领有下一代用于超重元素合成的加快器。在劳伦斯伯克利国度实验室，盖茨和她的团队正在安装仪器，以对单个原子的质地作念更高精度的测量。这些新器用将进一步揭开极点条款下的化学笼统。“当咱们联系超重化学时，”梅西大学的施韦特费格尔说，“咱们看见到处齐是惊喜。”

（作家：斯蒂芬妮·帕帕斯）

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