美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的科学家因发现118种已知元素中的16种而受到赞誉。现在他们已经完成了可能创造另一种元素的关键第一步：元素120。

今天，由伯克利实验室重元素组领导的国际研究小组宣布，他们利用钛束制造出了超重元素116，这一突破是制造元素120的关键垫脚石。该结果于今天在核结构2024会议上公布;科学论文将发布在在线存储库arXiv上，并已提交给《物理评论快报》杂志。

“这种反应以前从未被证实过，在开始尝试制造120之前，证明这种反应是可能的至关重要，”领导这项工作的伯克利实验室核科学家杰克琳·盖茨说。“创造一种新元素是一项极其罕见的壮举。能够参与这个过程并看到一条充满希望的道路，真是令人兴奋。”

研究小组在实验室重离子加速器88英寸回旋加速器上连续运行22天，制造出两个116号元素(铊)原子。制造120号元素原子则更为罕见，但根据他们制造116号元素的速度判断，科学家可以在几年内合理地寻找这种反应。

“我们需要大自然的仁慈，而大自然也确实仁慈，”伯克利实验室核科学部主任雷纳·克鲁肯说。“我们认为制造核素120所需的时间将比制造核素116所需的时间长10倍。这并不容易，但现在看来是可行的。”

如果发现，元素120将成为有史以来最重的原子，位于元素周期表第八行。它位于“稳定岛”岸边，理论上这是一组具有独特性质的超重元素。

虽然迄今为止发现的超重元素几乎瞬间分裂，但质子和中子的正确组合可以产生更稳定、更持久的原子核，从而为研究人员提供更好的研究机会。探索极端元素可以深入了解原子的行为方式、测试核物理模型并绘制原子核的极限。

扩展的元素周期表显示了研究人员预计元素119和120被发现后将被归类到何处。图片来源：MarilynSargent/伯克利实验室

制造超重元素

制造超重元素的方法在理论上很简单。将两种较轻的元素混合在一起，这样最终的原子中就会有你想要的质子数。这是最基本的数学运算：1+2=3。

当然，在实践中，这非常困难。两个原子成功融合之前可能需要数万亿次相互作用，而且哪些元素可以合理地转化为粒子束或靶子是有限的。

研究人员选择特定的同位素，即具有相同数量质子但不同数量中子的元素变体，作为其束流和靶。最重的实际目标是名为锎-249的同位素，它有98个质子。(更重的靶，例如由具有100个质子的镄制成的靶，会衰变得太快)。这意味着，为了尝试制造元素120，研究人员不能使用具有20个质子的钙-48束。相反，他们需要一束具有22个质子的原子：钛，这种物质在制造超重元素中并不常用。

88英寸回旋加速器的专家们着手验证他们是否可以在数周的时间内制造出足够强度的同位素钛-50光束，并用它来制造元素116，这是伯克利实验室有史以来制造的最重元素。

到目前为止，元素114至118只曾用钙-48束制造，这种束具有特殊或“魔法”的中子和质子配置，可帮助其与目标原子核融合产生超重元素。该领域一直存在一个悬而未决的问题：是否有可能使用钛-50等“非魔法”束在稳定岛附近制造超重元素。

伯克利实验室重元素组的科学家詹妮弗·波尔说：“尝试制造比新元素更容易的东西，以观察从钙束到钛束如何改变我们生产这些元素的速率，这是重要的第一步。”

“当我们试图制造这些极其稀有的元素时，我们站在人类知识和理解的绝对边缘，而且不能保证物理学会按照我们预期的方式运作。用钛制造116号元素证实了这种生产方法有效，我们现在可以计划寻找120号元素了。”

利用伯克利实验室独特设施制造超重元素的计划被纳入核科学咨询委员会的2023年核科学长期计划。

制造出强度足够大的钛同位素束并非易事。这个过程从一块特殊的钛-50开始，钛-50是一种稀有的钛同位素，约占地下所有钛的5%。这块金属被放进一个大小与小指最后一段相当的烤箱中。烤箱将金属加热至接近3000华氏度，直到它开始蒸发，就像干冰释放出的气体一样。

这一切都发生在一个名为VENUS的离子源中，这是一种复杂的超导磁体，其作用类似于一个封闭等离子体的瓶子。自由电子在等离子体中盘旋，在受到微波轰击时获得能量，并击落钛的22个电子中的12个。充电后，钛可以通过磁铁操纵并在88英寸回旋加速器中加速。

“我们知道这些高电流钛束会很棘手，因为钛会与许多气体发生反应，这会影响离子源和光束的稳定性，”伯克利实验室加速器物理学家、离子源团队成员DamonTodd说道。“我们的新感应炉可以连续几天保持固定温度，保持钛输出恒定，并将其对准VENUS的等离子体，以避免稳定性问题。我们对光束生产非常满意。”

每秒约有6万亿个钛离子击中目标(钚为116，锎为120)，目标比一张纸还薄，并旋转以散发热量。加速器操作员调整光束以获得合适的能量。太少，同位素不会融合成重元素。太多，钛会将目标中的原子核炸开。

当稀有的超重元素形成后，伯克利充气分离器(BGS)中的磁铁会将其与其他粒子碎片分离。BGS将其传送到灵敏的硅探测器SHREC(超重RECoil探测器)。SHREC可以捕获能量、位置和时间，这些信息可让研究人员在重元素衰变成较轻粒子时识别它。

盖茨说：“我们非常有信心，我们看见了116号元素及其子粒子。这只是一个统计上的偶然，概率只有1万亿分之一。”

为了制造元素120，研究人员希望融合钛和锎的同位素。图片来源：JennyNuss/伯克利实验室

120计划

在研究人员尝试制造120号元素之前，仍有一些工作要做。88英寸回旋加速器的专家继续努力为机器准备由锎-249制成的靶材，而橡树岭国家实验室的合作伙伴将需要将约45毫克的锎制作成靶材。

“我们已经证明，我们拥有能够完成这个项目的设施，而且从物理角度来看，这似乎也是可行的，”克鲁肯说。“一旦我们找到了目标、屏蔽和工程控制，我们就可以准备接受这项具有挑战性的实验了。”

具体时间尚未确定，但研究人员可能在2025年开始尝试。一旦开始，可能需要几年时间才能看到120号元素的几个原子(如果真的出现的话)。

盖茨说：“我们想弄清楚原子的极限和元素周期表的极限。我们目前所知的超重元素寿命不够长，不足以用于实际用途，但我们不知道未来会怎样。也许这是为了更好地理解原子核的工作原理，或者还有其他目的。”

此项工作的合作伙伴包括伯克利实验室、隆德大学、阿贡国家实验室、劳伦斯利弗莫尔国家实验室、圣何塞州立大学、斯特拉斯堡大学、利物浦大学、俄勒冈州立大学、德克萨斯农工大学、加州大学伯克利分校、橡树岭国家实验室、曼彻斯特大学、苏黎世联邦理工学院和保罗谢尔研究所的研究人员。

版权说明：本站所有作品图文均由用户自行上传分享，仅供网友学习交流。若您的权利被侵害，请联系我们

标签：