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1。元素周期的边界

超重元素是第104号元素，在元素元素表中之后：从[图1]开始，然后具有奇数属性，例如[图2]（db），[图3]（sg）和[图4]（bh）（bh），以及所有产生的最重的元素，元素编号118（图5]（图5]）。人类只会产生非常少量的超重元素。截至2020年，自实验室第一次成功合成以来已经过去了18年，科学家报告说，他们总共制造了五个原子。即使他们可以制造更多的原子，也永远不会因为它非常放射性，并且会自行分解并释放大量热量，这将永远无法掌握。研究人员使用“一次原子”的超快技术开始探索元素元素表中的未知区域。他们发现，就像任何中世纪制图师想象着世界一样，那些未知的地区也很棒。在这个未知的化学元素元素表的边界上，原子具有许多独特的特性，包括南瓜形核，并且电子与核之间的相互作用极强，这会根据相对性规则限制电子。这样的电子与绕着黑洞的物体没有什么不同。

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电子轨道模型

在元素周期表的结尾处是一个无法根据现有法律推测的领域。在这里，所有元素以原子数为104（[图1]，元素符号rf），从未在自然界中发现。实际上，他们显然不愿意出现在这里。因为他们的核会在形成时通过裂变或放射性衰减撕裂，从而释放其中包含的所有质子和中子。

这些超重元素的特性可能揭示了有关大规模天体物理现象中产生的原始元素的更多信息，包括超新星和中子星的合并。但是，不仅如此，研究这种奇怪的物质可能会帮助科学家了解周围自然存在的更典型的物质。随着研究人员在确定和测量这些原子方面做得更好，他们正在扩大最初提出的周期性元素表的边界。美国密歇根州立大学的理论核物理学家兼首席科学家Vitold Nazarevich说：“元素元素表是化学中最基本的工具。” “元素周期表的边界是什么？原子物理学的边界在哪里？化学的末端在哪里？”

2。超重元素的产生

在美国劳伦斯·伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的一条名为“实验洞穴1号”的混凝土走廊中，一张海报大小的桌子粘贴在距离世界上少数几个可以合成超级毛级原子的乐器之一仅几步之遥的墙上。这些元素是根据核素（具有特定质子和中子以及在特定核能状态的原子）或核中质子和中子的数量来排列的。该图显示了有关元素的核结构，衰减和同位素的所有已知信息（具有相同数量的质子和不同数量的中子的元素变体）。

这是一个正在经常进行编辑和更新的文档。图表上的记录在2006年印刷后添加了标记。这些标记就像原子物理学的新“岛”的导航器，并在他的航行过程中带有铅笔。但是，在此描述中，岛屿是指该元素中具有更多质子数的同位素，只能在诸如粒子加速器等设备中看到。在该区域内，创建想要的原子可能需要一周的时间，因此记录实验的进度至关重要。

劳伦斯·伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的重元素研究团队负责人杰克林·盖茨（Jacklyn Gates）说：“每个人都喜欢手写部分。” “如果我们仅在2023年将其打印出——。”

劳伦斯·伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的科学家詹妮弗·鲍尔（Jennifer Pore）补充说：“这并不有趣。”

“那不是那么有趣。”大门也同意。

盖茨（Gates）是一名核化学家，她和她的团队开发的设备特别喜欢综合超积压元素。他们在伯克利山坡上的实验室中使用了2.2米宽的回旋子（鼓形颗粒加速器）将标准尺寸的原子粉碎在一起，从而产生了一些超重的元素。在第一个核弹爆炸爆炸之后，这种回旋子的建设始于1958年，科学家们认为爆炸产生的沉积最终将形成新的放射性元素，例如OX（原子编号100）。如今，回旋子仍然保留了其大部分原始结构。在冷战期间经常出现的银盘旁边，有1980年代的米色面板和现代升级的蓝色按钮。

1969年，这里合成了第一个超重元件[图1]。 [图1]元素以欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）的名字命名，后者帮助解释了原子的结构。几年后，俄罗斯杜布纳的联合核研究所也创建了[图1]元素。该团队还在2002年首次以这支球队的**Yuri Oganezang的名字命名[图5]元素。自1950年代后期以来，创建新元素的竞争变得比用于制造它们的离子光束更加激烈。如今，关于谁综合的辩论主要是在劳伦斯·伯克利国家实验室和俄罗斯联合核研究所之间首次进行的元素，这在历史上被称为“超级基本战争”。

到1980年代，德国核研究机构Helmholtz重离子研究中心（当时称为重离子研究协会）也参加了比赛。这三个团队竞争创造新的要素，使元素周期表的原子数量越来越高，他们轮流拥有新元素的命名权。 1996年，研究人员发现了第112个元素的[图VI]元素（CN），以尼古拉斯·哥白尼的名字命名。围绕超重元素的辩论仍在继续。 1999年，劳伦斯·伯克利国家实验室的研究人员宣布发现了第116个元素，但在发现一位科学家伪造证据后，他们撤回了这一声明。 2000年晚些时候，俄罗斯联合核研究所成功成为了这一因素。现在，第116个要素被命名为[图7]（LV），以美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的名字命名。 2004年，日本物理与化学研究所合成了113号元素，名为[图8]（NH），以日语为“日本”命名。尽管第118号元素是有史以来最重的合成，但最近发现的超重元素实际上是第117号元素[图9]（TS），该元素由俄罗斯联合核研究所在2010年宣布；科学家将第117号元素命名为纪念田纳西州的状态，该州在该州涉及实验的几个机构。

使较重元素的竞赛一直持续到今天，这不仅是因为研究人员一直在识别元素周期表中的新元素方面一直在成功，还因为理论家预测，质子和中子的某种组合可能形成相对稳定的元素，即位于“稳定岛”上的元素，以至于这些元素不会立即衰减。日本物理与化学研究所的核化学团队的负责人兼负责人Hiroshi Hatana说：“一些理论预测，这些元素的半衰期是一年，100天或1000天。”该团队目前正在寻找元素119。

半衰期是指大约一半物质腐烂的时间。只有在物质的半衰期足够长的时候，人类才能促进重要的实验或将其用于新技术。但是，当前对超重元素的研究集中在其基本特性和揭示的核动态上，而不是用作材料本身。但是，这并不意味着它们最终不会变得有用。盖茨说：“我们现在所做的一切……都不是实用的。” “但是，您要看手机，如果您想追踪与此相关的所有技术的起源，您必须回到青铜时代。当时，人们不知道这些技术会生产当今的设备，现在这些设备已经成为我们所有人都无法离开并完全依靠超级依赖的东西，所以我们的一代人可能无法实现超级元素的实用，但要实现这一范围，但要实现这一范围，而是一系列的，但要实现这一范围，但要实现这一范围，但要实现这一范围，但要实现这一目标，但要实现这一目标，并且可以实现这一目标。超重元素更容易，可能会出现其实用性。”

3。如何人为地创建超重量原子

这些元素的综合绝不是容易的。通过散发重离子束以靶向材料（这里是指具有损失电子的大质量的核），研究人员希望克服两个带正电荷的核之间的静电排斥，迫使它们融合在一起。在劳伦斯·伯克利国家实验室，离子光束的来源是一种称为维纳斯的装置（意为“通用的电子回旋子共振离子的核科学来源”），位于回旋子的顶部，标志着其前面围栏的辐射警告。在金星中，微波和强磁场的组合可以从选定的元素（通常在门的实验中钙或氩气）剥离电子。然后，将结果离子沿管道注入回旋子中，然后在加速器的环形轨道中循环移动，并连续加速。

控制室中的技术人员使用静电力将离子束引导从回旋体中移开，并进入“实验孔”中的设备。 “实验孔”是一个较低的走廊，像辐条一样从回旋子向外延伸。 “实验孔”包含光束射击，而“实验孔”中的目标是薄的金属箔，直径类似于沙拉板。盖茨说：“在实验过程中，目标将旋转以防止离子束长期轰击一个特定点。否则，目标将在连续轰击的高速离子下融化。”

目标是什么材料取决于科学家想要拥有多少质子。例如，该元素（FL）具有114个质子，以创立联合核研究所的苏联物理学家Georky Flyorov命名。为了合成[图10]，科学家需要用钙（20个质子）撞击plut（94个质子）。为了合成118号元素，科学家轰炸了氧化（98个质子）。离子束中的中子越多，最终产物中的中子越多，因此产生的同位素越重。在大多数情况下，离子束将直接通过靶标，并且核之间没有相互作用。但是，由于每秒有6万亿个离子通过靶标，因此核与核之间总是会发生碰撞。当条件恰到好处时，这些碰撞将导致核融合在一起，从而形成一个新的超重原子，其寿命很短，并且以每秒600公里的速度移动。

为了降低这些超重原子的速度，研究人员使用氦气和电场将颗粒引导到陷阱中。他们还可以抽气其他气体，以查看超重元衰变之前会发生什么化学反应。但是，Helmholtz重离子研究中心的超重量元素化学研究团队负责人Christoph E. Dullman说，只有超过元素生存足够长的时间才有可能。为了使化学反应发生并研究它们，研究人员需要超重元素的半衰期超过0.5秒。

为了定量分析超重原子及其反应产物，科学家测量了他们在衰减期间释放的能量，该衰变释放了颗粒（由两个质子和两个中子组成）。在劳伦斯·伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的一个名为“不起眼的房间”的房间中，研究人员焦急地等待数据点，这些数据点可以告诉他们衰变产生的颗粒落在探测器上的位置，这些颗粒的过程揭示了有关起始原子的相关信息，包括起始原子的组成以及他们经历的任何反应。劳伦斯·伯克利国家实验室的Poray说，很难想象这种化学反应是如何发生的。 “感觉几乎就像一个只有在其他任何地方存在的过程。”

4。元素周期法的突破

研究人员使用化学方法研究的最重的元素是[图10]（元素编号114）。化学实验的实施需要一定数量的元素，并且还需要一定的元素。 [图10]是我们可以创建的最重的元素，可以满足上述条件。德尔曼说，科学家每天可以合成近三个原子[图10]。他说：“一个典型的实验大约需要一个月的运行时间。” “并非所有生产的原子都可以到达您的化学设备，而并非所有到达设备中的原子最终都将被检测到。”一些原子可以揭示很多。在合成[图10]之前，一些理论预测它可能像稀有气体一样稳定且化学无反应，而其他理论则认为它可能像金属，尤其是汞。 2022年在《化学前沿》期刊上发表的一项研究对[图10]的元素进行了实验，结果表明[图10]将显示出更多特殊的特性。研究人员发现，在室温下[图10]与金形成了强大的化学键，这与惰性气体完全不同。它也可以在液氮温度（减去196摄氏度）下与黄金结合。奇怪的是，在这两个温度之间的温度下，[图10]元素没有反应。

在元素周期表中，[图10]是与惰性气体的“同一组”，但研究人员认为[图10]既不是惰性的也不是气体。一项在《德国应用化学》中发表的2020年研究表明，[图10]在室温下可能是固体的，并且在约52摄氏度下变为液体。新西兰梅西大学的理论化学家彼得·施韦特格格（Peter Schwetfegger）是该研究的相应作者，施维特菲格（Schwetfegger）表示，有许多这样的例子。

元素具有这些奇数的原因与电子有关。电子围绕核移动并在一定的能级下移动。电子能级也称为外壳，每个壳可以容纳特定数量的电子。最外面的电子负责与其他原子形成化学键，因为有时没有足够的电子来填充最外层的层。可以说，每个壳代表电子和核之间的特定距离。尽管壳中电子轨道（称为轨道）的实际路径通常远非简单的圆，但它更像是哑铃，甜甜圈，泪珠或其他配置。 （根据量子力学，这些轮廓仅表示电子在实际测量中可能出现的地方。换句话说，电子主要以概率形式出现在核周围的某个地方）

随着核变得更重，周围的电子将受到大量正电荷的巨大拉力，并被核吸引，并且活动空间将减少。由于不确定性原理，也就是说，颗粒的位置和速度不能同时准确地知道，因此电子空间的减小意味着它们的速度肯定会增加。很快，电子可以以接近光速的速度移动。正如爱因斯坦（Einstein）的相对论一般理论所表明的那样，快速移动的物体会增加质量和经历异常。 Schwetfeger说，具体而言，最低能量状态（最内层）的超重核周围的电子轨道倾向于收缩，使更多的电子更接近核。这些变化属于相对论效应的类别。

相对论效应也将存在于周期表的自然要素中。例如，黄金之所以是浅黄色的原因是因为相对效应缩小了其两个电子壳之间的间隙，从而导致吸收的金元素的波长略微移动。但是，相对论效应通常在大多数光元素的化学行为中没有重要作用。这就是为什么周期表中元素的排列基于每个元素核中质子的数量的原因。这种布置可以将具有相似化学特性的物质分组为一个家族，这些物质主要取决于可以在壳中形成化学键的电子数量。

“元素的周期表应该告诉您元素化学特性的变化定律是什么。”但是对于较重的元素，相对效应开始起着主导作用，元素周期表显示的法律不再适用。 Schwetfeger和他的同事在2018年发表的2018年研究中发现，由于相对论效应，[图5]中的电子云看起来像是一个巨大而模糊的阴影，没有明显的区别。

在超重核区域之外，化学家还在辩论元素周期表中某些元素的位置。自2015年以来，国际纯和应用化学联合会的工作组一直在裁定第三列元素是否应为灯笼和actinide（元素57和89），tertium和tertium and thalamide（元素71和103）。争议围绕异常排列的电子旋转：由于相对论效应，电子在这些元素最外层的位置不符合周期表的定律。经过九年的正式审议，关于如何将这些要素分组仍未达成共识。在元素周期表的重元素的一端，此类问题只会变得更加不可忽略。盖茨说：“我们正在尝试探索这种安排开始出错的地方以及周期表的规则开始应用的地方。”

除了促进化学元素周期表的边界的探索外，电子的运动还使我们在极端条件下瞥见了核动力学。在由质子和中子组成的核中，这些颗粒之间的相互作用通常会改变核的形状，这与原子图中典型的球形形状不同。 Helmholtz重离子研究中心的物理学家迈克尔·布罗克（Michael Brock）说，到目前为止，检测到的大多数超重元素的核像橄榄球一样是椭圆形的。从理论上讲，尚未合成较重元素的细胞核的形状可能像飞碟一样，甚至像空白中心或低密度斑点的气泡一样。科学家可以通过测量受细胞核中正电荷布置影响的电子轨道的微小变化来“看到”这些形状。 “这样，我们可以理解核的大小和形状。”

原子核的布局是确定人们是否可以在更长的寿命中合成超积压元素的关键。由一定数量的质子和中子（统称称为核子）形成的细胞核非常稳定，这些数字称为魔术数字。像电子一样，核子占据了外壳，这些魔术数代表了完全填充核子壳所需的数字。研究人员一直希望找到一个稳定的超重核岛，而在稳定岛上尚未发现的超重元素或同位素很可能是双魔核，也就是说，核中质子和中子的数量是魔术数。

是否有一个超重的核稳定岛是一个悬而未决的问题，因为重型核可以分解自身，而不是容纳许多满足特定需求的核子。密歇根州立大学的纳扎尔维奇评论说：“裂变是造成严重核不稳的原因。”

与通过衰减的核核数量逐渐减少不同，核裂变是突然而完全的分解。纳扎尔维奇（Nazarevic）说，不同的模型对核可以在裂变不可避免的情况下可以容纳多少颗粒可以容纳多少个颗粒有不同的预测。理论家试图确定这个极限，以了解原子核的大小。

纳扎尔维奇指出，边缘有一个有趣的关键空间，核可以承受。要称为元素，核必须至少存活10到14秒，这是电子收集和形成原子所需的时间。但是从理论上讲，核的寿命可以短达10到21秒。纳扎雷维奇还说，在这个很小的时间间隔内，您可能会发现没有电子云并且无法进行化学反应的原子核。纳扎尔维奇说：“最重的元素已经通过该元素的元素周期表规则打破了。”问题是，这完全破裂了？理解超重元素的另一种方法是在太空中寻找它们。在本质上，可以通过称为快速中子捕获的过程（也称为R过程）形成比铁重的元素，该过程通常发生在灾难性事件中，例如两个中子星的碰撞。

5。在宇宙中找到超重元素

Helmholtz重型离子研究中心的天体物理学家Gabriel Martinez-Pinedo说，如果超重元素出现在宇宙中，它们也是通过快速中子捕获过程产生的。在此过程中，“种子核”捕获附近的自由中子，迅速增加质量以产生较重的同位素。这必须在有大量中子自由漫游的环境中发生，这就是为什么中子恒星合并是正确的位置的原因。

2017年，科学家首次通过检测相互作用产生的引力波观察了中子恒星的合并。马丁内斯·皮内多（Martinez-Pinedo）说：“这是在两个中子恒星合并期间第一次发生快速中子捕获过程。”研究人员检测到该中子星合并中灯笼的同位素（原子数为57至71），但是正如他们在第《物理评论快报》期报道的那样，他们无法确定其中的确切存在。为了确定超重元素，研究人员需要了解这些元素发出和吸收的特殊波长的光，并从一个这样的事件中产生的所有元素中选择它们，这使得检测到超赫维元素非常棘手。

然而，在2023年12月，天文学家在第《自然》杂志上报道说，有些恒星包含几个较轻的元素—— ruthenium，Rhodium，Palladium和Silver，并且它们过高。这些元素太高了，很可能是因为它们是重型或超重元素的裂变的产物。这些发现表明，含有多达260个质子和中子的核可能是通过快速中子捕获过程形成的。

马丁内斯·菲尼多（Martinez-Pinedo）说，在中子恒星合并期间产生的超重元素也会迅速腐烂，但是知道这些超重元素曾经存在的元素可以帮助科学家写下宇宙中物质的历史。 Webb太空望远镜和将在智利推出的Villa C. Rubin天文台可能使科学家可以看到其他可以产生超重元素的宇宙事件。 Martinez-Pinedo补充说：“将来会有新的重力波检测器，使我们能够以更高的精度看到更远的距离。”

在密歇根州的稀有同位素束设备上，有望通过将更多的中子注入同位素中的新高能束将进一步了解快速中子捕获过程。这些产品不是新的超重元素，而是较轻元素的重量同位素。 2月，研究人员在《 《科学》杂志上报道说，他们创建了thulium，ytterbium和Leutian元素的大量同位素，仅使用梁的预期功率输出的0.37。在更高的功率水平下，他们应该能够合成其他类型的同位素，其中一些同位素最终会腐烂成较重的稳定金属（例如黄金）。密歇根州立大学物理学家布拉德·舍尔（Brad Sherill）说：“这可能为天体物理学研究某些特殊的同位素提供了一种方法。”

同时，世界各地的其他科学家都在试图增加其离子束强度并增加目标数量以创建118以上的元素。此外，他们正在提高收集和测量这些元素的准确性。稀有同位素束设备的研究人员计划将其识别颗粒识别的能力增加10倍。 Helmholtz重离子研究中心很快将拥有下一代的加速器，用于合成超重元件。在劳伦斯·伯克利国家实验室，盖茨和她的团队正在安装工具，以对单个原子的质量进行更高的精度测量。这些新工具将在极端条件下进一步推出化学概况。 “当我们研究超重化学反应时，”梅西大学的施维特菲格说，“我们到处都有惊喜。”

（作者：Stephanie Pappas）

资料来源：每天都会