元素周期表的极度是一个无法根据现存端正进行揣测的区域。在这里【KIBD-027】kira☆kira BEST CHARISMA☆MODEL☆COLLECTION Vol.3，从原子序数为104（[图一]，元素标志为Rf）运转的通盘元素，都从未在当然界中被发现过。事实上，它们很彰着不肯意出现时这里。因为它们的原子核会在自身变成的蓦然，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通盘质子和中子。

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]运转，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量的超重元素。遣散2020年，距离初度在践诺室中生效合成出已有18年，科学家禀报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，它也遥远不会是那种不错拿在手里的东西，因为具有很强的放射性，会自行领会而开释出浩繁热量。诈欺“一次一个原子”的超快期间，究诘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世界的设想一样，那些未知区域相当奇妙。在这片未知的化学元素周期表的规模，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互相作用，而使电子受相对论章程的不休，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阵势（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，究诘这类奇特物资可能有助于科学家贯通咱们周围当然存在的、更为典型的物资。跟着究诘东说念主员在这些原子的笃定和测量方面作念得越来越好，他们正在拓展当先建议的元素周期表的规模。“元素周期表是化学中最基本的用具，”好意思国密歇根州立大学珍视同位素束流安装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？原子物理学的规模在那处？化学的极度又在那处？”

2·超重元素的产生

在好意思国劳伦斯伯克利国度践诺室一个被称作“1号践诺洞”的混凝土走廊里，距离世界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）来罗列的，或者说是根据原子核中质子和中子的数量来罗列的。这张图表展示了通盘已知对于元素的核结构、衰变以及同位素（具有通常质子数而中子数不同的元素变体）的信息。

这是一份陆续被剪辑和更新的文档。图表上的精良是在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荡漾顶用铅笔标注新“岛屿”一样。不外，在这种描摹下，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装中才气看到。在这片区域内，制造一个你想要的原子可能需要一周的时期，因此纪录践诺的进展至关热切。

“每个东说念主都心爱手写的部分。”劳伦斯伯克利国度践诺室重元素究诘团队的率领者杰克琳·盖茨说，“淌若咱们2023年才把它打印出来——”

“那就莫得这样意念念了。”劳伦斯伯克利国度践诺室的科学家珍妮弗·波雷补充说念。

“那就莫得这样意念念了。”盖茨也对此泄漏赞同。

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装情有独钟。他们在伯克利市山坡上的一个践诺室里，用一个2.2米宽的回旋加快器（一种饱读形粒子加快器）将法度尺寸的原子撞在一齐，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变成新的放射性元素，如镄（原子序数为100）。如今，回旋加快器仍保留了当先的大部分结构；在限度室里，冷战时期无为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]元素得名于匡助施展注解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和洽原子核究诘所也制造出了[图一]元素，这个团队还在2002年头度合成出了[图五]元素，是以这一团队的率领者尤里·奥加涅相的名字定名。从20世纪50年代末运转，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践诺室和俄罗斯和洽原子核究诘所之间，这在历史上被称为“超镄元素干戈”。

到20世纪80年代，德国原子核究诘机构亥姆霍兹重离子究诘中心（那时被称作重离子究诘学会）也加入了这场竞争。这三支团队竞相制造新元素，使元素周期表规模的原子序数越来越高，而况他们步骤领有新元素的定名权。1996年，究诘东说念主员发现了[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不绝。1999年，劳伦斯伯克利国度践诺室的究诘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左证后，他们除掉了这一声明。自后在2000年，俄罗斯和洽原子核究诘所生效制造了这种元素。现时第116号元素名为[图七]（Lv），以好意思国劳伦斯利弗莫尔国度践诺室的名字定名。2004年，日本理化学究诘所合成出了第113号元素，名为[图八]（Nh），以日语中的“日本”定名。诚然第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本色上是第117号元素[图九]（Ts），于2010年由俄罗斯和洽原子核究诘所晓喻；科学家将第117号元素定名为[图九]，是为了顾虑参与践诺的几个机构所在的田纳西州。

制造更重元素的竞赛抓续到今天，这不仅是因为究诘东说念主员陆续生效笃定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变成相对褂讪的元素，即位于“褂讪岛”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究诘所核化学团队的负责东说念主羽场宏光说。该团队现时正在寻找第119号元素。

半衰期指的是一种物资简短一半的原子发生衰变所需的时期。唯有物资的半衰期够长，东说念主类才便捷进行热切的践诺，或是用之于新期间。不外，现时对超重元素的究诘主要聚首在它们的基人道质以及它们所揭示的核能源学上，而不是它们手脚材料自身的用途。关联词，这并不虞味着它们最终不会变得灵验。“咱们现时所作念的一切……还莫得本色的应用，”盖茨说【KIBD-027】kira☆kira BEST CHARISMA☆MODEL☆COLLECTION Vol.3，“但你看你的手机，淌若要追忆通盘与之筹办期间的发祥，那么就要回到青铜器时间。那时，东说念主们还不知说念那些期间会产生如今的成立，鑫系列第二季而现时这些成立成了咱们通盘东说念主都离不开而况皆备依赖的东西。那么超重元素灵验吗？咱们这一代东说念主也许无法见证超重元素的本色应用了，但在一两代东说念主之后，当咱们领有更好的期间，而况不错更容易地制造超重元素的时候，它的用处也许就会涌现。”

3·怎么东说念主为制造超重原子

合成这些元素绝非易事。通过靶向材料辐照一束重离子（这里指失去电子、质地较大的原子核），究诘东说念主员但愿能克服两个带正电的原子核之间的静电放弃力，从而迫使它们交融在一齐。在劳伦斯伯克利国度践诺室，离子束的着手是一个名为VENUS（意为“核科学通用电子回旋共振离子源”）的安装，它位于回旋加快器的顶部，前线的围栏上贴着辐射造就的标志。在VENUS中，微波和强磁场的联结不错将电子从采纳的元素（在盖茨的践诺中无为是钙或氩）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疏通，并陆续被加快。

限度室的期间东说念主员诈欺静电力引导离子束离开回旋加快器，并投入“践诺洞”中的安装。“践诺洞”是一条从回旋加快器向外延迟的低矮走廊，就像辐条一样。“践诺洞”里含有束流打靶，而“1号践诺洞”中的靶是一个直径与沙拉盘差未几大的薄金属箔。“践诺时靶会旋转起来，以幸免离子束万古期轰击某一个点。不然靶会在高速离子的抓续轰击下溶解。”盖茨说。

靶由什么材料制成取决于科学家想要的最终家具有若干个质子。举例，[图十]元素（Fl）有114个质子，以创立了和洽原子核究诘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，离子束会径直穿过靶，原子核之间不发生任何互相作用。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。当条款刚随机乎时，这些碰撞会使原子核交融在一齐，产生一个新的超重原子，它的寿命相当短，且以每秒约600千米的速率移动。

为了降速这些超重原子的速率，究诘东说念主员诈欺氦气和电场将粒子引导至一个罗网中。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馈。然则，亥姆霍兹重离子究诘中心超重元素化学究诘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期弥散长的情况下才可行。想要让化学反馈发生并究诘它们，究诘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超过反馈家具，科学家测量了它们在α衰变经过中开释的能量，原子在α衰变经过中会开释出一个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践诺室一个名为“陋室”的房间里，究诘东说念主员焦炙地恭候着数据点，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筹办信息，包括肇端原子的构成超过履历的任何反馈。很难设想这种化学反馈本色是怎么发生的，劳伦斯伯克利国度践诺室的波雷说，“这嗅觉险些就像是其他场地才会存在的经过。”

4·突破元素周期律

究诘东说念主员用化学步骤究诘过的最重元素是[图十]（第114号元素），化学践诺的完竣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应承上述条款的最重元素。杜尔曼泄漏，科学家每天差未几不错合成三个[图十]原子。“一个典型的践诺需要简短一个月的运行时期，”他说，“不是通盘制出的原子都能抵达你的化学安装，也不是每个到达安装里的原子最终都会被探伤到。”而几个原子就能揭示好多东西。在[图十]被合成之前，一些表面预言它可能像珍视气体一样，相当褂讪且无化学反馈性，而另一些表面则觉得它可能像金属，非凡是汞。2022年一项发表在《化学前沿》杂志上的究诘作念了筹办[图十]元素的践诺，着力夸耀[图十]会推崇出更奇特的性质。究诘东说念主员发现，在室温下，[图十]与金会变成强化学键，这皆备不同于惰性气体。它还能在液氮温度（零下196摄氏度）下与金联结。奇怪的是，在介于这两种温度之间的温度下，[图十]元素却不会发生反馈。

在元素周期表中，[图十]与惰性气体为“归并族”，但究诘东说念主员觉得[图十]既不惰性，也不是气体。2020年一项发表在《德国应用化学》上的究诘标明，[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究诘的通信作家，施韦特费格尔泄漏，这样的例子有好多。

元素具有这些奇特质质的原因与电子筹办。电子围绕原子核、在一定的能级上疏通，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变成化学键，因为有时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本色旅途（称作轨说念）无为远非简便的圆形，而更像是哑铃、甜甜圈、泪珠状或其他构型。（根据量子力学，这些详细仅泄漏在本色测量中电子可能出现的场地。换句话说，电子主要以概率时局出现时原子核周围的某个场地）

跟着原子核变得越来越重，周围电子会受到浩繁正电荷的极大拉力，而被原子核诱骗得越来越近，行为空间也就温存了。由于不笃定性旨趣，即无法同期准确地知说念粒子的位置和速率，电子行为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疏通了。正如爱因斯坦的广义相对论所示，快速疏通的物体会加多质地并出现颠倒。施韦特费格尔说，具体来说，超重原子核周围处于最拙劣态（最内层）的电子轨说念倾向于收缩，使得更多电子越来越荟萃原子核。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，是因为相对论效应温存了其两个电子壳层间的粗心，使金元素领受和反射光的波长略有偏移。关联词，相对论效应无为不会在大多数轻元素的化学行径中起很大作用。这即是为什么元素周期表中元素的罗列是基于每个元素原子核中质子的数量。这种罗列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变成化学键的电子的数量决定。

劳伦斯伯克利国度践诺室的波雷泄漏：“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，相对论效应运转起主导作用，元素周期表展现的端正就不再适用了。在2018年一项发表于《物理驳倒快报》的究诘中，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杂而蒙眬的暗影，壳层之间莫得彰着的别离。

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，国外纯正与应用化学调贯通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颠倒的电子：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艰涩刻薄。盖茨说：“咱们正试图探索这种排布是从那处运转出问题，以及元素周期表的端正是从那处运转不再适用的。”

除了推进对化学元素周期表界限的探索，电子的疏通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，这些粒子之间的互相作用无为会使原子核的款式发生变化，不同于原子暗意图中呈现的典型球形。亥姆霍兹重离子究诘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都是卵形，像橄榄球一样。从表面上讲，尚未合成更重元素的原子核的款式可能像飞碟，致使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”这些款式，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款式了。”

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关节。一定数量的质子和中子（统称为核子）联结变成的原子核相当褂讪，这些数字被称为幻数。与电子一样，核子也占据着壳层，而这些幻数代表了皆备填满核子壳层时所需的数量。究诘东说念主员一直但愿找到超重核褂讪岛，而该褂讪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。

是否存在超重核褂讪岛是一个悬而未决的问题，因为重核可能会自行领会，而不是容纳应承特定要求数量的核子。密歇根州立大学的纳扎雷维奇驳倒说念：“裂变是重核不褂讪的原因。”

与通过α衰变使原子核的核子数（相对）冉冉减少不同，核裂变是一次蓦然且澈底的解体。纳扎雷维奇泄漏，就一个原子核在裂变变得不成幸免之前能容纳若干粒子，不同模子给出了不同的预言。表面学家正试图笃定这一极限，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角落存在一个意念念的临界空间。要被指觉得一个元素，原子核必须存活至少10～14秒，这是电子集结并变成一个原子所需的时期。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，在这个极小的时期终结内，你可能会发现莫得电子云、无法进行化学反馈的原子核。“最重的元素已突破元素周期表律。”纳扎雷维奇说。问题是，这是在那处被澈底温存的？另一种了解超重元素的步骤是在天外中寻找它们。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经过（也叫作r经过）变成，这种经过无为发生在两颗中子星碰撞等糟糕性的事件中。

5·在全国中寻找超重元素

亥姆霍兹重离子究诘中心的天体物理学家加布里埃尔·马丁内斯-皮内多说，淌若超重元素也曾在全国中当然出现过，那么它们亦然通过快中子俘获经过产生的。在这仍是过中，一个“种子核”俘获近邻的目田中子，飞速加多质地以产生较重的同位素。这必须发生在一个有浩繁中子目田漫游的环境中，这即是为什么中子星合并是合乎的场合。

2017年，通过探伤互相作用产生的引力波，科学家初度不雅测到了中子星合并。“这是第一次说明，快中子俘获经过真的会出现时两颗中子星合并的经过中，”马丁内斯-皮内多说。究诘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），但正如他们那时在《当然》杂志上报说念的那样，他们无法笃定其中到底存在什么元素。想要笃定超重元素，究诘东说念主员需要知说念这些元素所辐照和领受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通盘元素——中挑选出来，这使得探伤超重元素极为辣手。

关联词，在2023年12月，天文体家在《科学》杂志上禀报说，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经过变成的。

马丁内斯-皮内多泄漏，中子星合并经过中产生的超重元素也会飞速衰变，但知说念这些超重元素也曾存在过这一丝，不错匡助科学家信写全国中的物资的历史。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，也许大约让科学家看到其他可产生超重元素的全国事件。马丁内斯-皮内多补充说念：“将来将会有新的引力波探伤器，从而使咱们大约以更高的精度看到更远的距离。”

在密歇根的珍视同位素束流安装上，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经过。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，究诘东说念主员在《物理驳倒快报》杂志上禀报说，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，他们应该大约合成其他种类的同位素，其中一些会最终衰变成更重的褂讪金属（比如金）。“这可能为天体物理学提供了一条究诘某些特殊同位素的路线。”密歇根州立大学的物理学家布拉德·谢里尔说。

与此同期，世界各地的其他科学家也在尝试莳植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，他们正在提高网罗和测量这些元素的精度。珍视同位素束流安装的究诘东说念主员诡计将他们鉴识粒子的才气提高10倍。亥姆霍兹重离子究诘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践诺室，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。这些新用具将进一步揭开极点条款下的化学详细。“当咱们究诘超重化学时，”梅西大学的施韦特费格尔说，“咱们看见到处都是惊喜。”

（作家：斯蒂芬妮·帕帕斯）

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