一種創新的製造超重元素的方式，可能不久將為元素周期表新增一行，使科學家得以探索未知的原子領域。

通常來說，周期表上新合成的、人工製造的重元素過於「龐大」，往往導致其不穩定和轉瞬即逝。科學家們努力將更多的質子和中子壓縮在一起，以構建「超重」原子核——質子總數超過 103的原子核——這樣的元素越來越不穩定。迄今為止，人類製造的所有超重元素幾乎都是在剎那間衰變。

然而，美國勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的研究人員通過粒子加速器合成這些重元素，現已向著神秘的「穩定島」邁出了重要的一步。

「穩定島」是原子核物理學中一個理論上的周期表區域，其中的超重元素可能終於能夠持久存在，從而打破常規。

該團隊利用一種新方法成功合成了第 116 號元素「鉝」（livermorium），該方法使用了鈦-50（titanium），這是一種稀有同位素，約佔地球上所有鈦的 5%。將這種鈦加熱至 3,000 華氏度並轉化為高能粒子流，研究人員得以將這種粒子流對撞其它原子，從而創造出超重元素。儘管鉝以前已經用其它方法製造過，這種創新的方法為合成新的、更重的元素鋪平了道路，進而有望擴充元素周期表。

「這項成就真正具有開創性」，未參與該研究的、日本理化學研究所（RIKEN）的研究員Hiromitsu Haba 如此表示。他還指出，這一成就是「進一步發現新元素的必要條件」。這項研究成果已在 7月的 Nuclear Structure 會議上發表，目前正在《物理評論快報》（Physical Review Letters）期刊進行同行評審。

超重元素融合的「簡易」數學

位於伯克利實驗室的 88 英吋迴旋加速器（Cyclotron）是一種能產生電磁場的裝置，它能推動原子核釋放部份周邊電子，並使其以高速撞向其它靜止的原子。透過這些設備，合成超重元素的過程就變成了一道簡單的數學題：要製造一個含有 116 個質子的元素，你需要將兩個原子核融合，使它們的質子總和達到這個數字。然而，在核物理學領域，事情往往沒有那麼簡單。

傳統上，鈣-48是製造超重元素融合反應的首選同位素，因為它具有「雙重魔數」屬性（doubly magic nature）。原子核被電子軌道構成的殼所環繞；當原子核擁有能完全填滿一個軌道殼的「魔數」質子或中子時，它們會非常穩定，若同時擁有這兩種粒子的「雙重魔數」則穩定性更是出眾。但鈣-48的質子數較少，這限制了它合成更重元素的能力。與鈣-48（Ca- 48，有20 個質子）能結合的最重穩定元素是鋦（curium ，有96 個質子），最終形成了「鉝」元素（116個質子）。儘管鈣-48 和更重的錇（berkelium ，有97 個質子）已被用來合成元素 117，但錇「極其難以製造」，並未參與這項新研究的、密歇根州立大學稀有同位素束設施的首席科學家Witold Nazarewicz 表示，「如果我們想要製造更多更重的元素，我們需要一個比鈣-48含有更多質子的粒子流。」

為了製造這樣的粒子流，研究團隊轉而使用鈦-50，試圖將其與鈽（plutonium）融合，以製造鉝元素。「在進行這項實驗之前，沒有人知道使用鈦來製造物質會是容易還是困難」，伯克利實驗室重元素小組組長及該研究的主要作者Jacklyn Gates 強調。

不同於穩定性極高的「雙重魔數」鈣-48，鈦-50 並不具有魔數特性，也缺乏極端的穩定性。它的熔點幾乎是鈣的兩倍，這使得處理它更加困難。鈦-50 原子較低的穩定性使其即使發生碰撞也很難成功融合。「這就像是每天看到一個合成原子，與每十天甚至更久才看到一次的差別」，Gates 解釋道。儘管面臨這些挑戰，鈦-50仍被視為下一個最佳選擇，因為它提供了超出鈣所能達到的創造超重元素的可能性。

當同位素準備就緒，迴旋加速器開始運作後，接下來就是漫長的等待。不斷地將鈦粒子流對準鈾（uranium）目標進行轟擊，兩個原子核之間發生任何碰撞的機率極低。「如果你將一個原子放大到足球場那麼大，原子核就像是一顆豌豆」，Gates說。「我們每秒射出六萬億個鈦粒子對準目標，只是為了有機會撞到原子核。」

高強度的粒子轟炸和成功碰撞的罕見性，導致合成出可測量的鉝需耗時22天。

探索「穩定島」

鈦-50 的成功應用在超重元素合成領域取得了顯著進展。這項實驗不僅證明了該技術基本上是可行的，還提供了關於鈦-50粒子束「截面」的重要數據。（所謂「截面」，是指在兩粒子碰撞時，根據碰撞能量，某特定結果發生的概率。）

在這個基礎上，下一個野心勃勃的目標是利用鈦-50進行融合，創造出元素120， 這需要與「鐦」元素（californium）進行碰撞。元素 120 將成為迄今合成的最重元素，也是周期表第八行的首個元素。根據某些模型，這種元素也應該相對壽命較長，成為人們長期追尋的「穩定島」的起點。儘管理論模型對於鈦基合成所需的精確能量提供的確定性不多，但這些初步結果提供了寶貴的洞見。

「[ 這項研究] 獲得了截面的實驗數據，現在我們知道哪個 [理論] 模型最為可靠」，Nazarewicz解釋說。Hiromitsu Haba則補充說：「我們正在探索極端環境下的原子核，這在理論上仍然難以預測.... 然而，我們沒有任何理由認為元素 120 不能用這種方法合成。」

儘管創造這種新元素可能還需數年時間，但這一潛在的發現有望為電子殼層和周期表提供新的見解，這對核物理學、材料科學等領域可能具有重大意義。「你將進入[ 電子的]g 軌道」，Gates表示，他指的是一種理論上的新電子配置，這是前所未有的。「這如同開啟了化學的一個嶄新領域。」◇

 

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