制造第120号元素的方法找到了

本文来自微信公众号：原理 （ID：principia1687），作者：小雨，题图来自：视觉中国

超重元素指的是原子序数（质子数）超过103（Z>103）的重元素。对超重元素的创造，以及对它们的核性质的研究，是现代核物理学的一个重要前沿。

在近日举行的核结构2024年会议上，劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员宣布，他们利用一种制造超重元素的新方法，制造出了一种已知的超重元素——116号元素，（Lv）。这种方法为制造更重的120号元素带来了希望。

一份扩展的元素周期表，如果发现119号和120号元素，它们或将出现在的位置。（图/Jenny Nuss/Berkeley Lab）

研究人员已经将这项工作提交到了《物理评论快报》杂志。目前，这项工作可以通过论文预印网站arXiv预览。

制造超重元素

在元素周期表中，质子数超过92个的元素都是不稳定的，它们会衰变为更轻的原子核。这意味着超重元素不会在地球自然地大量存在，但它们可能会出现在恒星中。这些元素具有高放射性，通过核裂变迅速分解。

超重元素的制造极具挑战性，它所需的起始物料非常难以产生，且实验耗时持久。为了制造新元素，物理学家通常会使用粒子加速器将离子束与固体靶中的原子碰撞，希望引发核反应，使原子核聚变，产生具有更多质子和中子的元素。

在过去的几十年里，物理学家通过不同类型的核反应，发现了原子序数为104~118的超重元素。其中，最重的是于2002年首次合成的118号元素——Og。事实上，到目前为止，第114到118号元素，都是用钙-48（48Ca）粒子束轰击由锕系元素构成的靶而制造出来的。

钙-48具有20个质子和28个中子，这种同位素非常稳定，非常适合用来与靶原子发生核聚变反应，产生超重元素。不过，如果想要用钙-48产生第119或120的元素，则需要第99号元素锿（Es）第100号元素镄（Fm）作为靶原子。然而，这两种元素都不能被制造出足以作为靶原子的数量。所以，要制造出更重元素的唯一出路就是找到新的方法。

更重的粒子束

事实上，已经有许多理论研究试图预测，能否利用锕系元素靶和比钙-48重的离子束（例如钛和铬的同位素）结合来制造超重元素。

在这项新研究中，物理学家为了探索是否可以用钛-50（50Ti）来制造超重元素，他们先试图制造第116号元素——（290Lv）。这是一种以前只能用钙-48生产的同位素。不过，制造钛粒子束并非易事。钛的熔点接近1700℃，是钙的两倍多。为了制造钛粒子束，就必须把它加热到足以让离子蒸发。

研究人员聚合了钛和钚的同位素，创造出了一种制造116号元素的新方法。（图/Jenny Nuss/Berkeley Lab）

所有这些都发生在一个叫做VENUS的离子源中，这是一个复杂的超导磁体，它就像是一个限制等离子体的瓶子。自由电子在等离子体中旋转，在微波的轰击下获得能量，并敲掉钛的22个电子中的12个。接着，失去了电子的钛可以通过磁铁操纵，并在伯克利实验室的88英寸回旋加速器中加速，最后将其发射到由钚（Pu）制成的靶上。利用这种方法，研究人员成功地制造出了。

突破极限

这是一种具有开创性的方法，能极大地提高现有理论计算的准确性，并将极大地推动人类发现119号和120号元素。

制造120号元素的一种提案方法。（图/Jenny Nuss/Berkeley Lab）

研究人员计划，在实验设备升级后，他们将使用类似的技术来制造第119和120号元素。如果他们成功合成119号和120号元素，那么周期表将增加到第八行。在这一行，物理学家们或将有望找到具有迄今为止未见过的电子构型或轨道的原子。

参考来源：

https://arxiv.org/abs/2407.16079

https://www.nature.com/articles/d41586-024-02416-3

https://newscenter.lbl.gov/2024/07/23/a-new-way-to-make-element-116-opens-the-door-to-heavier-atoms/