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人类欲造117号元素 或将科学前沿引至"稳定岛"

http://www.kexue.com 2014-05-21 10:26:55 中国科学报  发表评论


德国GSI亥姆霍兹重离子研究中心直线加速器能将钙离子加速至光速的10%,以制造元素117

  物理学家已经制造出了超重元素的新成员—— 一种原子核中有117个质子的原子。这个“庞然大物”位于元素周期表的外层,在这里,肿胀的原子核倾向于变得越来越不稳定。但是,117号元素的存在却给了科学家希望,他们正在接近发现传闻中的“稳定岛”,这里的原子核拥有所谓的神秘数目的质子和中子,使得其寿命长久。

  比铀(拥有92个质子)沉重的元素在自然界中不常被发现,但它们被迫在实验室里“现身”。问题是:一个原子核越大,带正电荷的质子彼此间的斥力就越大,通常这使得它更不稳定或更具放射性。例如,元素117的半衰期大约是千分之50秒,这意味着在这段时间内,一半的该元素将衰减成一个更轻的元素。

  2010年,一个美国—俄罗斯联合研究小组在俄罗斯联合核能研究所第一次制造出元素117。但该元素仍被认为是非官方的,尚未被正式接受,且未被国际理论与应用化学联合会(IUPAC)录入元素周期表。不过,德国达姆施塔特GSI亥姆霍兹重离子研究中心利用新实验成功证实了117号元素的存在,他们得出的其新外观信息将有助于该超重元素向正式加入元素周期表更进一步。

  “跟首次发现相比,这次的发现是由一个不同的研究小组在不同的地方,利用不同的机器完成的。”领衔GSI 实验的Christoph Dullmann说,“我认为科学界将要改变对元素117的看法,它已经从宣布被观察到发展为如今的已经被证实。”

  要制作元素117——其在周期表中的临时占位符为ununseptium,研究人员需要粉碎钙原子核(每个有20个质子),并用其轰击锫(每个原子有97个质子)。该实验非常困难的部分原因是锫本身就很难得到。“我们必须与世界上唯一能大量生产和分离锫的机构合作。”Dullmann说。

  这个机构就是美国田纳西州橡树岭国家实验室,其核反应堆能够创造半衰期为330天的稀有元素。该设施花费了大约两年时间建立了足够大的锫储存量以用于实验。当积累到13毫克后,橡树岭国家实验室的科学家便将锫装船运到德国,以供该项目下一阶段使用。

  在GSI,研究人员将钙离子加速到光速的10%,之后让它们撞向锫。如果钙和锫的原子核迎头撞上,这两个原子核偶尔会结合在一起,融合成一种质子总数为117的新元素。“我们每周大约获得1个原子。”Dullmann说。

  科学家没有直接观察元素117。相反,他们寻找了其发射阿尔法粒子出现放射性衰退后的衰变产物——拥有2个质子和2个中子的氦核。“重核能出现阿尔法衰变产生115号元素,并且这种元素也会出现阿尔法衰变。”5月1日发表于《物理评论快报》上的相关论文第一作者、GSI的Jadambaa Khuyagbaatar说。

  在这种衰变链进行更多几步之后,原子核产物之一是同位素铹266,其原子核拥有103个质子和163个中子。之前已知的铹同位素的中子数量较少,并且稳定性也较差。但是,这种新奇元素的半衰期竟长达11个小时,这使其成为到目前为止已知的最长寿超重同位素。“也许我们已经到达‘稳定岛’的岸边。” Dullmann说。

  但没有人能确定这个岛在哪里,甚至它是否存在。相关理论建议,除了已知的,下个神秘数字可能是108、110或114个质子和184个中子。据计算,这些组合将能促成特殊的性质,这允许其原子能比类似物质存活更久。“对于元素116、117和118的所有现存数据确实证明,生命周期增加接近中子数184。”未参与研究的橡树岭国家实验室理论物理学家Witold Nazarewicz说,“这是鼓舞人心的。”

  超重幻数核可能会有能确保稳定性的有趣形状,例如所谓的中部有孔洞的气泡结构。“但这些从未被发现,不过目前对该领域的开发正在到达泡沫范围的边缘。”Nazarewicz说。

  如果“稳定岛”确实存在,那么其原子核持续多久将不再有限制。它们将被证明足够稳定并能在自然界中被发现。很多寻找是基于这些超重元素已经存在,或许它们形成于许多强有力的宇宙事件,例如两个中子星的融合。尽管目前尚未发现,科学家仍对“稳定岛”已近在眼前抱有希望。

  近年来科学家合成了一系列超重元素,第114号和第116号元素已正式成为元素周期表的新成员。元素周期表含有92种天然形成的元素,从原子数为1的氢到原子数为92的铀。每一个元素根据原子核中的质子数量定义。而序号在92以后的重元素在自然界中难以稳定存在,104号及以后的元素被称为超重元素,寿命更加短暂,迄今为止所有的超重元素均为人工合成。

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