在元素周期表边缘的原子实验

2018年，彼得·施华德费格(Peter Schwerdtfeger)发表了一篇彻底颠覆化学的论文。根据他和他的同事们的计算，已知最重的118号元素oganesson并不是一种惰性气体，因为它在元素周期表中的位置是你所期望的，而是一种高度反应性的固体。更奇怪的是，它似乎没有电子壳层。¹

新西兰梅西大学(Massey University)的理论化学家施华德菲格(Schwerdtfeger)说，嗯，这种说法过于简单化了。“你仍然可以从描述单个壳层的轨道中建立电子密度。对于oganesson来说，壳层结构几乎看不见，接近电子气体。”

虽然该计算是与美国密歇根州立大学的研究人员合作完成的，尚未得到实验验证，但这种情况可能不会持续太久。在美国，实验主义者已经开始探索以前认为不可触及的元素。结果与化学家的预期完全不同。

一个超重的问题

104号及以上的元素被称为超重元素。它们在地球上不存在，必须通过粒子加速器将两个较轻元素的原子碰撞在一起，一次产生一个原子。这是一个花费数十万英镑光束时间的过程。典型的生产速度取决于元素;有些是一周一个原子，有些是一天一个原子。元素的性质也是一个障碍:所有已知的超重元素的同位素都是不稳定的和高放射性的。在大多数情况下，任何实验如果有成功的希望，都必须在几秒钟内完成。

尽管存在困难，但自20世纪60年代末首次发现超重元素以来，几乎一直在进行确认超重元素在周期表第七行位置的实验。1970年，美国加州大学伯克利分校的一个研究小组通过离子交换柱使钌-261的原子运行，并证明它是钛的同系物。²整个实验——从创造一个原子到分离它并让它通过仪器——只花了不到一分钟的时间。

随着技术的进步，可以做的事情也变得越来越复杂。例如，第一个关于105号元素dub105的化学实验，将原子附着在氯化钾气溶胶上，收集在玻璃板上，用硝酸熏蒸和清洗，并用光谱学进行研究。铌吸附在玻璃上，顺应5族元素较轻的趋势。

在21世纪，更快的实验和更好的粒子加速器能够更有规律地产生和检测原子，定期测试超重物质的化学性质。虽然只有最基本的实验可以尝试，但即使是这些实验也可以揭示很多关于元素的信息。例如，2014年，日本理化学研究所(Riken)的一个团队——该实验室被认为发现了113号元素nihonium——用氖-22轰击了一个curum -248目标，产生了106号元素海硼镓原子，然后用磁铁将它们与束流分离，并用一氧化碳处理它们。然后将得到的分子漏斗放入装有辐射探测器的二氧化硅气相色谱柱中。只有18个原子，研究小组能够确认海硼形成了Sg(CO)。₆羰基，就像它较轻的同类物钼和钨一样。通过加热六羰基，研究小组破坏了键并计算了键的强度。对最重元素的直接质量测量也取得了成功，从原子撞击探测器的地点和时间计算出原子的质荷比。

最具挑战性的工作是在元素周期表的第七行末端，那里的元素偏离了它们的预期性质。随着原子核中质子和中子数量的增加，根据量子力学，原子核对附近电子的影响也会增加。这使得附近的电子进入更近的轨道，增加了它们的速度和质量(多亏了相对论)。正是这种现象赋予了黄金独特的颜色，或者让水银在室温下变成液体。Schwerdtfeger解释说:“很明显，对于主族超重元素(113-118号元素)，以及晚期过渡金属伦琴和哥白尼(111和112号元素)，相对论效应是非常重要的。”“对于伦琴和哥白尼，我们有很强的相对论性s亚层稳定性，而对于p区元素，我们也有很强的自旋轨道耦合。这导致了物理和化学性质的巨大变化。”

原子化学和光谱学的未来看起来是光明的

瑞士Paul Scherrer研究所的实验室放射化学负责人Robert Eichler使用超快技术研究了哥白尼和氟罗维的化学性质。他称施华德菲格的计算改变了实验家研究元素的方式。他解释说:“电离势和电子亲和度越低，一种元素的金属性就越强。”“内聚能与我们化学家用来描述元素或化合物挥发性的升华焓是相等的。”

速度意味着埃奇勒的实验必须保持简单的气固色谱法。原子被创造出来的那一刻，它就会被分离，并被一系列具有温度梯度的探测器发射出去。通过测量原子吸附的位置，可以计算出它的升华焓。这些属性通常遵循周期性的趋势，尽管有明显的变化。埃奇勒发现，与与其最近的同系物铅相比，铱的惰性水平更高;它仍然表现得像金属，但只是勉强。^3.问题是，考虑到迄今为止只有100个左右的铱原子被创造出来，实验的确定性很难达到。其他研究小组正试图复制他们的发现，或者寻找探测铱的新方法，比如把它困在一顶乙醚里．⁴

理论上，这种技术可以用于更重的元素。艾希勒说:“我们现在有了对欧冈松的预测，表明它的波动性介于汞和哥白尼之间。”他指的是施维德费格最近发表的一篇论文，该论文认为欧冈松是一种半导体。⁵“因此，我们可以应用类似的实验策略来评估oganesson的特征。Schwerdtfeger表示同意:“原子化学和光谱学的未来看起来是光明的。人们可以在一秒或更短的时间内捕获一个原子并进行光谱实验。两人都承认，目前的挑战是，即使是他的快速实验也不够快。而且，即使他能加快测试速度，从粒子加速器中发现的碎片中分离新形成的原子仍然需要十分之一秒——比oganesson唯一已知同位素的半衰期长200倍。

接下来的步骤

虽然oganesson目前还遥不可及，但没有人承认失败。攻击周期表这一端的主要障碍之一是原子数量有限，所以一个主要步骤是扩大生产。在俄罗斯杜布纳的联合核研究所(JINR)，超重元素工厂旨在加快制造原子的过程。今年早些时候投入使用的新设备能够每秒向目标发射60万亿个离子，其离子束强度是最接近的竞争对手的10倍。

超重元素工厂的主要动机是与来自世界各地的团队合作，创造未被发现的元素119和120。但机器也能进一步加深我们对现有元素的理解。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的Mark Stoyer说:“建造这个加速器是为了创造我们所知道和喜爱的同位素。”他是在JINR发现114-118号元素的团队成员之一。“我们的想法是，如果你能产生更多的特定同位素，你就可以做其他类型的实验，而不仅仅是看着它衰变。”不用等一个星期，或者几个星期，你现在可以制造几十个原子，所以你可以更快地做任何事情。”

几十个原子听起来并不多，尤其是当它们的半衰期意味着它们在不到一秒的时间内衰变时。但斯托耶尔相信，超重元素工厂将为化学家提供新的选择。他说，让我们以第116号元素livermorium为例。“有四种同位素，半衰期都在几十毫秒之内。你不太可能一次得到两个原子，但你可以把它们放在氯、氧或氢旁边，看看它们是如何相互作用的。这给了你关于化学反应的线索。”

制造元素的一个主要问题是，这种被称为热聚变的技术涉及中子的损失，将它们像压舱物一样扔掉，试图降低能量，稳定新形成的原子核。然而，对于像氟元素这样的元素，更多富含中子的同位素的寿命要长得多。例如，在热聚变过程中，当失去三个中子时产生的flerovium-289的半衰期约为1.9秒，而当只失去两个中子时，flerovium-290的半衰期约为19秒。产生的原子越多，产生氟锇-290的几率就越高——这使得大量的快速反应成为可能。

我们所知道和观察到的一切都必须用一个基本理论来解释

英国利物浦大学的核物理学家Rolf-Dietmar Herzberg说:“如果你有1000倍的产量，你可以把它用于灵敏度——这样就可以制造出1000倍难生产的东西。”“如果你选择不同的能量，你可以寻找2n(失去两个中子)通道。”

“在一个幻想的世界里，我们可能会得到1n个(失去一个中子的)通道，”Stoyer补充道，暗示了尚未发现的flerovium-291的可能性——一种可以在几分钟内测量其半衰期的同位素。“那么你就有机会做别的事情了。研究氧化物是如何形成的，确定元素喜欢的氧化态。它想失去多少电子?[超重元素工厂]可能为我们提供了进一步研究和扩大这一地区的机会。”

即使铱实验成功了，它距离团队的真正目标:稳定岛还有一段距离。Flerovium-298被认为是核稳定区域的中心，由充满质子和中子的壳层(被称为魔数)造成。在这里，理论上，花苞素的半衰期可以超过100万年;问题是，没有人能在实验室里提出一种反应，能够产生这样一种富含中子的同位素。

即便如此，这些实验也将给理论家一个机会来完善或证实他们的模型。Schwerdfeger说:“我们所知道和观察到的一切都必须用一个潜在的理论来解释。”“物理学中所谓的标准模型以前所未有的精度预测粒子的性质。我们手头有所有的理论来预测周期表中任何元素在任何聚合态下的任何性质。问题在于，正如[物理学家]保罗·狄拉克(Paul Dirac)曾经说过的，这些方程很难处理。但在过去的20年里，量子化学已经取得了巨大的进步。我们可以高精度地计算它们，但看到理论和实验是如何一致的总是很好的。”

混乱的未来

目前，JINR的团队正试图通过向锫发射富含中子的钛-50光束来制造119号元素;他们正在与日本理化研究所的一个团队竞争，后者正试图通过将钒射入一个curium靶来制造这种新元素。大多数研究人员预计其中一种或两种都能在五年内成功。

然而，尽管超重元素界在很大程度上同意119号和120号元素将属于周期表的第1和第2组，但除此之外的元素却存在一个问号。现代计算表明，在172号元素附近，原子核无法结合在一起，因此不可能有更多的元素存在，这表明周期表还有三分之一的地方有待发现。问题是它们如何映射到元素周期表上。121号元素属于第3组吗?它是否构成了一个新的“超锕系元素”系列的开端?或者它会做一些完全不同的事情?

芬兰赫尔辛基大学的佩卡(Pekka Pyykkö)提出的一个想法是，可以看到一个全新的系列，以及一个新的电子壳层。Pyykkö网站称:“在我的提议中，121-138号元素将正式组成‘5g行’。”一种新型电子壳层，g或l= 4时，将开始被占用。就像4f外层一样，它会非常紧凑，在原子的深处，对于某些职业来说，它具有很强的磁性。”

这些元素不属于镧系元素和锕系元素，而是属于另一个单独的盒子。Pyykkö的计算结果表明，他的序列将分别以第13组和第14组中的139号和140号元素重新加入主周期表，然后141-155号元素归入锕系元素下的一个新系列。⁶因此，156号元素将是钛的同源物，形成一种看似随机的元素混乱，因为原子序数服从壳层结构和周期性的规则。

Pyykkö的想法也远不是最极端的。对于一个被认为已创建的元素，目前它的半衰期需要超过10年^-14年秒——大概是阳离子吸引电子的时间。然而，在最好的理论模型下，可能会有一个新元素的区域，它们的同位素非常不稳定，不能满足这一类别，而是以纯阳离子的形式存在。我们认为这些原子核是化学的一部分，还是仅仅是物理学家担心的问题?

虽然目前这只是一个理论，但如果是真的，它将再次颠覆我们所知道的一切。超重元素可能脱离了迪米特里·门捷列夫的设计，但元素周期表——化学中最易识别的符号，今年正在庆祝——甚至超越了核心科学本身。

基特·查普曼是英国南安普顿的科学作家，著有超重，2019年6月由布卢姆斯伯里出版社出版综述了manbetx手机客户端3.0作者:Philip Ball