Island of Heavyweights

本周精读向大家介绍的是2018年3月出版的Scientific American中的一篇文章Island of Heavyweights。

全文约2400字，阅读约需7分钟，如果没时间读完可以直接拉到结尾看精要。

2006年，在距莫斯科130km的小城杜布纳，一个由俄罗斯和美国科学家组成研究团队正在使用粒子加速器加速钙原子轰击锎原子。1080个小时后，研究人员发射了超过10^19个钙原子。终于，他们得到了3个超重原子。几毫秒之后，这三个原子消失了。但通过对衰变辐射和产生的其他原子的分析，科学家们宣布他们创造了第118号元素，也是目前人类得到的最重的元素。9年之后，118号元素正式入列元素周期表，被命名为“Oganesson”。

“壳层模型”

一个原子的质量要小于组成它的所有质子、中子、电子的质量之和，爱因斯坦的质能方程对此做出了解释，缺失的那部分质量转化为了原子内的结合能。将质子和中子结合起来组成原子核的力被称为强相互作用。如果一个原子核内的质子数量不断增加，质子与质子之间的正电排斥作用会逐渐增强，直至强于强相互作用，并造成原子核崩裂。这就是超重元素存在时间极短的原因。目前地球上发现的能够大量稳定存在的最重的元素是铀。

但是科学家们发现向原子核中加入不断加入质子或中子（统称核子）时，加入某一个核子时需要的能量要明显小于加入前一个核子时需要的能量，发生这种能量明显减小现象时核子的数量被称为“幻数（magic number）”，例如2，8，20，28，50，82，126等等。 1949年，理论物理学家Eugene Paul Wigner,Maria Goeppert Mayer和J. Hans D. Jensen从轨道和自旋相互作用出发解释了这一现象并提出了原子核壳层模型。这一理论认为原子核内质子和中子处于不同的壳层，当壳层被质子或中子填满时是一个最稳定状态，此时的核子数即为幻数。当一个原子核内的质子数或中子数为幻数时，这个原子核被称为“幻数核”；当一个原子核内质子数和中子数均为幻数时，这个原子核被称为“双幻数核”。研究发现幻数核和双幻数核相比于其他原子核具有更高的稳定性。

寻找“稳定之岛”

“壳层模型”指导了理论化学家，他们认为对于超重元素如果能够得到“双幻数核”或者接近“双幻数核”的同位素，那么这些同位素就可能具有异乎寻常的稳定性。化学家形容这些异常稳定的元素在元素周期表中形成了一个“稳定之岛（Island of Stability)”。理论预测的稳定双幻数核之一是Fl298，即114号元素的同位素，其原子核内包含了114个质子和184个中子，114和184均为幻数。目前科学家们还没有得到Fl298原子，但对于112号元素（copernicium，Cn）的研究有了新的发现。同位素Cn277（含有112个质子，165个中子）的半衰期仅为0.6毫秒，而同位素Cn285（含有112个质子，173个中子）的半衰期超过了30000毫秒。尽管112和173并不是“幻数”，但化学家认为它们已经接近了超重元素的“稳定之岛”，我们认为也许可以称之为“海岸元素”。

如果“双幻数核”超重元素确如理论预测一般具有较好的稳定性，那么这些元素也是有可能在自然界中被检测到的。例如，两颗中子星碰撞时可能会产生超重元素，同族其他元素的矿石中也可能存在稳定的超重元素。科学家也对此进行了研究，他们在NASA进行了宇宙辐射分析实验，也利用各种色谱手段对矿石进行了检测，但目前还没有发现自然存在的稳定超重元素。

如何得到超重元素？

既然还没有发现自然存在的超重元素，科学家们就在实验室中尝试制造它们。目前主要有两种方法来制造超重元素，一是用中子轰击重原子核A，原子核A中聚集大量中子后会发生beta衰变，其中的中子会转化成质子，这时元素A就变成了比其更重的元素B。利用这种方法科学家可以制造元素周期表中Fm（100号元素）及之前的元素。

元素周期表中Fm之后的元素不易发生beta衰变，这时就需要用原子进行轰击，直接引入质子和中子。两个原子核在足够接近时会在强相互作用力的作用下发生融合，形成新的原子核。由于原子核自身是正电性的，因此需要将其中一个原子核加速至1/10光速才有可能克服正电的互斥左右，接近另一个原子核至强相互作用力的作用范围。尽管困难重重，科学家们还是通过这种方法得到了113，115，117和118号元素。

113号元素在日本的实验室被发现，因此被命名为“nihonium”；115号元素在莫斯科的实验室被发现，因此被命名为“moscovium”；117号元素被命名为“tennessine”是因为田纳西州的橡树岭国家实验室为其发现提供了靶原子Bk249；118号元素被命名为“oganesson”是为了纪念该实验的发起人Yuri Oganessian。

为何研究超重元素？

超重元素的制备如此困难，半衰期又如此之短，化学家们为什么要研究这些元素呢？因为他们可能具有与其他元素不同的非常不同的理化性质。

在元素周期表中我们可以看到114号元素Fl在82号元素Pb的正下方，根据经验推断其可能具有重金属的性质，而理论推导结果却表明其性质可能更接近于惰性气体。由于超重元素原子核内质子数量极多，使其核外电子的绕核运动速率可以达到光速的80%，这就导致Fl元素最外两层电子轨道间的能级差变大。当发生化学反应时，只需较低的能量就可以使Pb元素的价层电子发生跃迁进而形成化学键，对于Fl元素来说，这一能量就要大得多，以至于其可能很难发生化学反应。化学家们利用TASCA（TransActinide Separator and Chemistry Apparatus，后锕系元素分离和化学实验设备）研究发现Fl在不同温度下可能同时具有金属性质和惰性气体的性质。

近期化学家们又尝试开展了一系列实验，包括利用测算No（102号元素）的电离能，考察Sg（106号元素）的一氧化碳配合物的稳定性等等。

超重元素的独特性质使得对它的研究可能有利于我们揭示更多的自然真理，同时如果可以实现对这类元素的自然发现或大量制备也许其独特的物理化学性质会为我们带来意想不到的作用。随着实验手段的不断丰富，化学家们对超重元素的性质会更加了解，也许我们已经抵达了“稳定之岛”的“海岸”。

本周的精读就是这些，我们下周见。

Enjoy it and have a nice weekend!

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全文精要：

1. 科学家们通过向原子核中不断加入质子来制造越来越重的元素;

2. 超重元素是的半衰期极短，往往不足1毫秒。但理论预测如果科学家可以制造一个原子，其中包含数量合适的质子和中子，它就可以稳定存在数分钟，数天甚至数年；

3. 这些可以稳定存在的重原子在元素周期表中形成了一个“稳定之岛”，科学家认为近期发现的一些实验结果可能已经勾勒出了“稳定之岛”的“海岸”。