德國GSI亥姆霍茲重離子研究中心直線加速器能将鈣離子加速至光速的10%，以制造元素117。圖片來源：G. Otto/GSI亥姆霍茲重離子研究中心

物理學家已經制造出了超重元素的新成員—— 一種原子核中有117個質子的原子。這個“龐然大物”位于元素周期表的外層，在這裡，腫脹的原子核傾向于變得越來越不穩定。但是，117号元素的存在卻給了科學家希望，他們正在接近發現傳聞中的“穩定島”，這裡的原子核擁有所謂的神秘數目的質子和中子，使得其壽命長久。

比鈾（擁有92個質子）沉重的元素在自然界中不常被發現，但它們被迫在實驗室裡“現身”。問題是：一個原子核越大，帶正電荷的質子彼此間的斥力就越大，通常這使得它更不穩定或更具放射性。例如，元素117的半衰期大約是千分之50秒，這意味着在這段時間内，一半的該元素将衰減成一個更輕的元素。

2010年，一個美國—俄羅斯聯合研究小組在俄羅斯聯合核能研究所第一次制造出元素117。但該元素仍被認為是非官方的，尚未被正式接受，且未被國際理論與應用化學聯合會（IUPAC）錄入元素周期表。不過，德國達姆施塔特GSI亥姆霍茲重離子研究中心利用新實驗成功證實了117号元素的存在，他們得出的其新外觀信息将有助于該超重元素向正式加入元素周期表更進一步。

“跟首次發現相比，這次的發現是由一個不同的研究小組在不同的地方，利用不同的機器完成的。”領銜GSI 實驗的Christoph Dullmann說，“我認為科學界将要改變對元素117的看法，它已經從宣布被觀察到發展為如今的已經被證實。”

要制作元素117——其在周期表中的臨時占位符為ununseptium，研究人員需要粉碎鈣原子核（每個有20個質子），并用其轟擊锫（每個原子有97個質子）。該實驗非常困難的部分原因是锫本身就很難得到。“我們必須與世界上唯一能大量生産和分離锫的機構合作。”Dullmann說。

這個機構就是美國田納西州橡樹嶺國家實驗室，其核反應堆能夠創造半衰期為330天的稀有元素。該設施花費了大約兩年時間建立了足夠大的锫儲存量以用于實驗。當積累到13毫克後，橡樹嶺國家實驗室的科學家便将锫裝船運到德國，以供該項目下一階段使用。

在GSI，研究人員将鈣離子加速到光速的10%，之後讓它們撞向锫。如果鈣和锫的原子核迎頭撞上，這兩個原子核偶爾會結合在一起，融合成一種質子總數為117的新元素。“我們每周大約獲得1個原子。”Dullmann說。

科學家沒有直接觀察元素117。相反，他們尋找了其發射阿爾法粒子出現放射性衰退後的衰變産物——擁有2個質子和2個中子的氦核。“重核能出現阿爾法衰變産生115号元素，并且這種元素也會出現阿爾法衰變。”5月1日發表于《物理評論快報》上的相關論文第一作者、GSI的Jadambaa Khuyagbaatar說。

在這種衰變鍊進行更多幾步之後，原子核産物之一是同位素铹266，其原子核擁有103個質子和163個中子。之前已知的铹同位素的中子數量較少，并且穩定性也較差。但是，這種新奇元素的半衰期竟長達11個小時，這使其成為到目前為止已知的最長壽超重同位素。“也許我們已經到達‘穩定島’的岸邊。” Dullmann說。

但沒有人能确定這個島在哪裡，甚至它是否存在。相關理論建議，除了已知的，下個神秘數字可能是108、110或114個質子和184個中子。據計算，這些組合将能促成特殊的性質，這允許其原子能比類似物質存活更久。“對于元素116、117和118的所有現存數據确實證明，生命周期增加接近中子數184。”未參與研究的橡樹嶺國家實驗室理論物理學家Witold Nazarewicz說，“這是鼓舞人心的。”

超重幻數核可能會有能确保穩定性的有趣形狀，例如所謂的中部有孔洞的氣泡結構。“但這些從未被發現，不過目前對該領域的開發正在到達泡沫範圍的邊緣。”Nazarewicz說。

如果“穩定島”确實存在，那麼其原子核持續多久将不再有限制。它們将被證明足夠穩定并能在自然界中被發現。很多尋找是基于這些超重元素已經存在，或許它們形成于許多強有力的宇宙事件，例如兩個中子星的融合。盡管目前尚未發現，科學家仍對“穩定島”已近在眼前抱有希望。

近年來科學家合成了一系列超重元素，第114号和第116号元素已正式成為元素周期表的新成員。元素周期表含有92種天然形成的元素，從原子數為1的氫到原子數為92的鈾。每一個元素根據原子核中的質子數量定義。而序号在92以後的重元素在自然界中難以穩定存在，104号及以後的元素被稱為超重元素，壽命更加短暫，迄今為止所有的超重元素均為人工合成 。（張章）

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