新元素：抵达了新大陆？

蔡如鹏

新元素的发现使周期表再一次扩大，化学元素的规律可能已经进入了一片新的疆域

2006年10月16日，从杜布纳核联合研究所传出消息，门捷列夫元素周期表中的118号元素在此诞生了。

仅两个多月后，2006年岁末，来自德国达姆施达特重粒子研究所的消息说，科学家们在那里成功合成元素周期表上108号元素的超长寿命同位素270。

对于化学元素周期表来说，这两个超重的原子核具有非凡的意义——元素周期律可能由此进入了一片新的天地。

人工元素的合成历程

1945年，美国橡树岭国立实验室的3位化学家在铀的裂变产物中分离出第6l号元素，并把它命名为钷。至此，门捷列夫元素周期表上前92种元素在自然界中都被找到，虽然其中有些极为稀少。人们一度以为，周期表到92号元素铀就结束了。

但事实上，这并不是结束。现在看来，它更像是一个新的开始。

1919年，英国科学家卢瑟福用α粒子(氦核)轰击氮等元素的原子核，实现了历史上第一次人工核反应，并发现了质子。从此，用高能粒子轰击原子核的把戏在物理学界流行开来，并且轰击越来越有力。为了得到更强力的“炮弹”，物理学家制造越来越大的加速器，把粒子加速到接近光速。

开始他们并没有料到，这样做会制造出新的元素。美国科学家麦克米伦在用中子轰击铀的实验中，发现了比铀原子序数更大的93号元素镎，这几乎可以说是一次意外。不久，化学家西博格又找到了94号元素钚。

镎和钚的发现，使科学家开始有意用轰击原子核的办法来制造新元素——由于它们在周期表中排在铀之后，被统称为“超铀元素”。在合成新元素的初期，麦克米伦和西博格所在的加利福尼亚大学的劳伦斯•伯克利国家实验室，可谓一枝独秀。在那里，制造出了一个接一个的超铀元素。

1944年，西博格通过轰击钚，得到了95号和96号元素，分别命名为镅(以美国所在的美洲命名)和锔(以居里夫妇命名)。当他们制造出足够量的镅和锔时，再以中子来轰击这些元素，于1949年成功地制造出97号元素锫。1950年制造出98号元素锎。1951年，西博格和麦克米伦以这一连串的成就获得了诺贝尔化学奖。

到1961年，以劳伦斯•伯克利国家实验室为中坚力量，科学家们将元素周期表延伸到了103号元素。但此后，由于苏联杜布纳核联合研究所的加入，在这一领域出现了两强相争的局面。

从104号到106号元素，美苏科学家互不相让，先后都宣布制造出了这些元素。

德国达姆施达特重粒子研究所的出现，无疑给原本激烈的竞争注入了新的活力。德国人从上世纪80年代起，先后制造出了107、109、108、110号元素，使两强争霸的格局变成了三足鼎立。

寻找“幻数”元素

到目前为止，合成工作已经进行到118号元素，不过还只有111号以前的元素得到国际化学联合会的认可并正式列入元素周期表，其他元素尚需进一步证实。

超铀元素每往后推进一个格子，都比前一个更加艰难。因为，随着原子序列的增加，元素会变得越来越不稳定，在极短的时间，比如几毫秒(千分之一秒)里，就可能衰变成其他的元素。

例如，首次获得的108号元素半衰期不超过半毫秒，不到一眨眼的功夫它就没了，科学家根本没法知道它什么样，更谈不上对它进行研究了。只能推测，如果有那么一堆的话，在常温下大概是一种固体，呈银白或灰色，有金属光泽。

是不是所有的超铀元素都避免不了短命的宿命？事情似乎并不是这样悲观。理论物理学家在上世纪40年代提出，就像原子核外面的电子是层状分布一样，原子核内部的核子(质子或中子)也是由里到外逐层分布的，而每一层能容纳核子的数量是固定的。如果原子核某一层的“空位”刚好被核子填满，那么它将比周期表前后的原子核更稳定，因为那些原子核最外层仍有“空位”容纳核子。

这就意味着超铀元素的稳定性并不是完全随着原子序数的增大而稳步下降，有时也会出现“意外”，而这些意外的发生就取决于原子核每一层的空位数量。科学家们称这些特别的数字为“幻数”，意思是“有魔力的、不可思议的数字”。

物理学家相信，尽管超铀元素普遍不稳定，但仍有可能存在一些相对稳定的元素。它们被其他短命的超铀元素所包围，就像大海中的岛屿，因而被形象地称为“稳定岛”。

“稳定岛”的魔力

虽然118号新元素存在的时间只有0.9毫秒，但这丝毫没有影响科学家的热情，因为这不仅给元素大家族又添了新丁，更重要的是让他们更加接近理论物理学家提出的“稳定岛”假说。

而的同位素270的制造成功，更是向“稳定岛”又靠近了一步。在制造出270之前，科学家就推测质子数108和中子数162可能是双幻数。事实也正是如此。研究人员虽未能准确记录它们产生的时间，无法直接测量出它们的寿命，但间接估计，半衰期接近22秒，比起半毫秒(最初获得的元素的半衰期)来，可真算得上长寿了。

目前，科学家预期了不少幻数，比如114号元素的同位素298、120号元素等。但这仅仅是个开始，人们对稳定岛仍然所知甚微。所能做的，就是继续合成新的元素。2006年早些时候，杜布纳核联合研究所曾宣布，将人工合成第120号元素，以进一步证实“稳定岛”假说，尽管他们知道这项工作可能要“持续多年时间”。

为了证明“稳定岛”的存在，各国科学家花费如此大的力气，竞相去合成自然界中(至少是地球上)或许根本不存在的元素及其同位素，究竟有什么意义呢？

北京大学化学学院教授唐有祺院士认为，一旦搞清楚了稳定岛的中子、质子的配比，在撞击的时候就可有所调控，这样可能会加快新元素的发现。

那么，合成新元素又是为什么呢？复旦大学化学系教授吴浩青院士的看法是：在实验室中合成极少数超重元素可能不会有什么日常用途，但超重元素的合成能够帮助人们更多更深入地认识元素的起源、元素存在的极限等，其科学意义远远高于实用意义。

抛开这些不谈，仅仅就人类的好奇心来说，我们曾经扬帆出海，现在正努力飞向太空，于是探寻元素王国的新疆域也是很自然的事情。谁又敢说，海的那边没有岛屿甚至是新大陆呢？