製造元素 116 的新方法為更重的原子打開了大門

主要要點

• 伯克利實驗室的科學家首次成功地利用鈦束製造出了已知的元素 116（鉝），這項突破使實驗室能夠嘗試製造新的元素 120。

• 如果被發現，元素 120 將是有史以來製造出的最重的原子，位於元素週期表的第八行。

• 元素 120 接近理論上的「穩定島」，在那裡超重元素可能壽命較長——使科學家能夠更好地研究它們。

美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室 (Berkeley Lab) 的科學家們在 118 種已知元素的發現中貢獻了 16 種。現在，他們已經完成了可能創造另一種元素——元素 120 的關鍵第一步。

今天，一個由伯克利實驗室重元素組領導的國際研究團隊宣佈，他們已經利用鈦束製造出了已知的超重元素 116，這項突破是製造元素 120 的關鍵墊腳石。該結果已在 2024 年核結構會議上發表；科學論文將發佈在線上資料庫 arXiv 上，並已提交給《物理評論快報》雜誌。

「這種反應以前從未被證明過，在開始嘗試製造 120 之前，證明它是可能的至關重要。」伯克利實驗室領導這項工作的核科學家 Jacklyn Gates 說。「創造一種新元素是一項極其罕見的壯舉。能夠參與這個過程並擁有一條有希望的前進道路，令人興奮。」

該團隊在實驗室的重離子加速器——88 英吋迴旋加速器——運行 22 天期間製造了兩個元素 116（鉝）原子。製造元素 120 原子將更加罕見，但根據他們製造 116 的速度判斷，這是一個科學家可以在幾年內合理搜尋的反應。

「我们需要大自然慷慨一些，而大自然確實慷慨了。」伯克利實驗室核科學部主任 Reiner Kruecken 說。「我們認為製造 120 需要比製造 116 長約 10 倍的時間。這不容易，但現在看來是可行的。」

如果被發現，元素 120 將是創造出的最重的原子，並將位於元素週期表的第八行。它位於「穩定島」的邊緣，「穩定島」是一個理論上存在的超重元素群，具有獨特的特性。雖然迄今為止發現的超重元素幾乎會立即分解，但質子和中子的正確組合可以產生更穩定的原子核，使其存活更長時間——從而使研究人員有更好的機會研究它。探索極端的元素可以讓我們深入了解原子的行為方式，測試核物理模型，並繪製原子核的極限。

製造超重元素

製造超重元素的配方在理論上很簡單：將兩個較輕的元素碰撞在一起，使其結合後具有最終原子中所需的質子數量。這是一個基本的數學運算：1+2=3。

當然，在實際操作中，這難度極高。在兩個原子成功融合之前，可能需要數萬億次的相互作用，而且可以合理地轉變成粒子束或靶標的元素也有限制。

研究人員為其束流和靶標選擇特定的同位素，即具有相同質子數但中子數不同的元素變體。最重的實用靶標是一種稱為鐦-249 的同位素，它有 98 個質子。（較重的靶標，例如由鎄製成的靶標，具有 100 個質子，衰變速度太快）。這意味著要嘗試製造元素 120，研究人員不能使用他們常用的具有 20 個質子的鈣-48 束流。相反，他們需要一個具有 22 個質子的原子束：鈦，這在製造超重元素中並不常用。

88 英吋迴旋加速器的專家們開始驗證他們是否可以在幾週內製造出足夠強度的鈦-50 同位素束流，並用它來製造元素 116，這是伯克利實驗室製造出的最重的元素。

到目前為止，元素 114 到 118 僅僅是通過鈣-48 束流製造出來的，鈣-48 具有中子和質子的特殊或「幻數」構型，這有助於它與靶核融合以產生超重元素。在該領域中，一個懸而未決的問題是，是否可以使用鈦-50 等「非幻數」束流在穩定島附近製造超重元素。

「嘗試製造比新元素略微容易一些的東西，看看從鈣束流到鈦束流會如何改變我們生產這些元素的速度，這是一個重要的第一步。」伯克利實驗室重元素組的科學家 Jennifer Pore 說。「當我們試圖製造這些極其稀有的元素時，我們正站在人類知識和理解的絕對邊緣，並且不能保證物理學會按照我們的預期運作。用鈦製造元素 116 驗證了這種生產方法有效，我們現在可以計劃搜尋元素 120 了。」

利用伯克利實驗室獨特的設施製造超重元素的計劃，已包含在核科學諮詢委員會 2023 年核科學長期規劃中。

工程壯舉

製造出強度足夠的鈦同位素束絕非易事。這個過程始於一塊特殊的鈦-50，這是一種稀有的鈦同位素，約佔地表所有鈦的 5%。這塊金屬被放入一個大約只有小指末端大小的烤箱中。烤箱加熱金屬，直到它開始汽化，就像乾冰釋放出的氣體一樣，溫度接近華氏 3000 度。

所有這些都發生在一個稱為 VENUS 的離子源中，這是一個複雜的超導磁體，它像一個約束電漿的瓶子。自由電子在電漿中旋轉，在被微波轟擊時獲得能量，並擊落鈦的 22 個電子中的 12 個。一旦帶電，鈦就可以被磁體操縱並在 88 英吋迴旋加速器中加速。

「我們知道這些高電流鈦束將很難處理，因為鈦與許多氣體發生反應，這會影響離子源和束流的穩定性。」伯克利實驗室的加速器物理學家、離子源團隊成員 Damon Todd 說。「我們的新感應烤箱可以保持數天的恆溫，使鈦的輸出保持恆定，並將其直接瞄準 VENUS 的電漿，以避免穩定性問題。我們對我們的束流生產非常滿意。」

每秒鐘，大約有 6 萬億個鈦離子撞擊靶標（製造 116 使用鈽，製造 120 使用鐦），靶標比一張紙還薄，並且會旋轉以分散熱量。加速器操作員會調整束流，使其具有恰當的能量。能量太低，同位素將不會融合成重元素。能量太高，鈦將會將靶標中的原子核炸開。

當稀有的超重元素形成時，它會通過伯克利充氣分離器 (BGS) 中的磁體與其餘的粒子碎片分離。BGS 將其傳遞到一個稱為 SHREC 的靈敏矽探測器：超重 RECoil 探測器。SHREC 可以捕獲能量、位置和時間，這些信息使研究人員能夠在其衰變成較輕的粒子時識別重元素。

「我們非常有信心我們看到了元素 116 及其子粒子。」Gates 說。「這大概有萬億分之一的機會是統計上的巧合。」

製造 120 的計劃

在研究人員嘗試製造元素 120 之前，還有一些工作要做。88 英吋迴旋加速器的專家們繼續努力為由鐦-249 製成的靶標準備機器，橡樹嶺國家實驗室的合作夥伴需要將約 45 毫克的鐦製成靶標。

「我們已經證明，我們擁有一個能夠完成這個項目的設施，而且物理學似乎也使其可行。」Kruecken 說。「一旦我們到位靶標、屏蔽和工程控制，我們就準備好進行這個具有挑戰性的實驗了。」

時間尚未確定，但研究人員可能會在 2025 年開始嘗試。一旦開始，如果元素 120 真的出現，可能需要幾年時間才能看到僅僅幾個原子。

「我們想弄清楚原子的極限，以及元素週期表的極限。」Gates 說。「我們目前知道的超重元素壽命不夠長，無法用於實際目的，但我們不知道未來會怎樣。也許是對原子核如何運作的更好理解，也許是其他什麼。」

參與這項工作的是來自伯克利實驗室、隆德大學、阿貢國家實驗室、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室、聖荷西州立大學、斯特拉斯堡大學、利物浦大學、俄勒岡州立大學、德克薩斯農工大學、加州大學伯克利分校、橡樹嶺國家實驗室、曼徹斯特大學、蘇黎世聯邦理工學院和保羅謝勒研究所的研究人員。

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洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）致力於通過清潔能源、健康地球和發現科學的研究來為人類提供解決方案。該實驗室成立於1931年，基於團隊能最佳解決重大問題的信念，伯克利實驗室及其科學家已獲得16項諾貝爾獎。來自全球的研究人員依賴該實驗室的世界一流科學設施進行他們的開創性研究。伯克利實驗室是一個多計畫國家實驗室，由加利福尼亞大學管理，隸屬於美國能源部的科學辦公室。

美國能源部的科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大單一支持者，並致力於應對我們時代的一些最緊迫的挑戰。部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊。