科学家发现了一种创造新超重元素的有希望的方法

Josiah02

宇宙中最重的元素是什么？有无数种元素吗？超重元素在哪里以及如何自然产生？
已知最重的元素是铀，质子数为 92（原子序数为“Z”）。但科学家已成功合成超重元素，最高可达铊，其原子序数为 118。紧随其后的是铊，质子数为 116；铊，质子数为 117。
所有元素的半衰期都很短，即元素原子的一半衰变所需的时间，通常不到一秒，有些甚至短至一微秒。制造和检测这些元素并不容易，需要强大的粒子加速器和精密的测量。
但生产高 Z 元素的典型方法已达到极限。为此，一组来自美国和欧洲的科学家想出了一种超越现有主导技术的超重元素生产新方法。他们的研究成果在加州劳伦斯伯克利国家实验室完成，发表在《物理评论快报》上。
劳伦斯伯克利国家实验室的 JM Gates 及其同事在论文中写道：“如今，‘稳定岛’的概念仍然是一个有趣的话题，其在塞格雷图上的确切位置和范围仍然是理论和实验核物理学界积极研究的课题。”
稳定岛是一个区域，在这个区域中，超重元素及其同位素（质子数相同但中子数不同的原子核）的半衰期可能比其附近的元素长得多。预计 Z=112 附近的同位素会出现这种情况。
虽然目前已有多种技术来发现超重元素并创建其同位素，但最有成效的方法之一是用钙原子束轰击锕系元素的目标，具体来说是钙的同位素48-钙 ( 48 Ca )，它有 20 个质子和 28 (48 减 20) 个中子。锕系元素的质子数从 89 到 103，而48 Ca 的特殊之处在于它的质子和中子数均为“神奇数字”，这意味着它们的数量完全填满了原子核中可用的能量壳层。
质子和/或中子数为神奇数意味着原子核极其稳定；例如，48 Ca 的半衰期约为 600 亿亿（6 x 10 19）年，远远大于宇宙的年龄。（相比之下，49 Ca 只多一个中子，在大约 9 分钟内衰变一半。）
这些反应被称为“热聚变”反应。另一种技术是将 50 钛到 70 锌的同位素束加速到铅或铋的目标上，这被称为“冷聚变”反应。通过这些反应发现了高达 oganesson (Z=118) 的超重元素。
但生产新的超重元素所需的时间越来越长，有时需要数周时间才能完成，而生产新超重元素所需的时间是通过反应截面来量化的，反应截面可以测量超重元素的发生概率。由于距离预测的稳定岛如此之近，科学家们需要比铕更进一步的技术。锿或镄本身就是超重元素，因此无法充分生产出合适的靶。
盖茨和他的团队写道：“我们需要一种新的应对方法。”而这正是他们发现的。
原子核的理论模型已成功预测了使用锕系元素靶和 48-钙同位素束在铕系以下产生超重元素的速率。这些模型还认为，要产生 Z=119 和 Z=120 的元素，50-钛束效果最好，具有最高的截面。
但理论家们并未确定所有必要参数，例如光束的必要能量，实验人员还未测量模型所需的某些质量。确切的数字很重要，因为否则超重元素的生产率可能会有很大差异。
已经尝试过几次实验，试图产生质子数从 119 到 122 的原子。但所有实验都不令人满意，它们确定的截面极限不允许不同的理论核模型受到约束。盖茨和他的团队通过将 50-钛照射到 244-Pu（钚）靶上，研究了铊（Z=116）同位素的产生。
该团队利用劳伦斯伯克利国家实验室的 88 英寸回旋加速器，产生了平均每秒 6 万亿个钛离子从回旋加速器射出的离子束。这些离子在 22 天内撞击了圆形面积为 12.2 厘米的钚靶。通过一系列测量，他们确定 290-Livermorium 是通过两种不同的核衰变链产生的。
他们总结道：“这是首次报道使用 48-钙以外的束流在预测的稳定岛附近生成超重元素 (SHE)。”反应截面或相互作用概率确实有所下降，这与较重束流同位素的预期一致，但“这次测量的成功证实了发现新的超重元素确实是在实验范围内。”
这次发现代表着非魔核碰撞首次显示出产生其他超重原子和同位素（两者皆有）的潜力，希望为未来的发现铺平道路。已知存在约 110 种超重元素同位素，但预计还有 50 种同位素存在，等待通过此类新技术发现。