理查德·範·諾爾登,《自然》雜誌撰稿
經過九年艱苦的實驗,日本研究人員昨天報告說,他們已經創造了第三個 113 號元素的原子。該領域的專家表示,這一成功可能會使該元素正式新增到元素週期表中。這將是第一個在東亞發現的人工元素,有可能使日本團隊獲得命名權。
但這種特權並非有保證。美國和俄羅斯的研究人員也在努力研究 113 號元素,他們說自 2003 年以來已經創造了 56 個該元素的原子。
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這些觀測結果均未得到被任命負責裁決此類事務的獨立專家委員會的確認。這表明證明創造新的超重元素有多麼困難,同時也突顯了為批准研究結果而設立的流程的官僚性質。
數萬億原子
自 2003 年以來,由森田浩介領導的日本團隊一直在東京附近的埼玉縣理研加速器科學研究中心用鋅原子束轟擊鉍靶。他們的目標是融合這些元素的原子核,以產生一個原子核中具有 113 個質子和 165 箇中子的原子。
這種融合極其不可能。九年來,光束總共開啟了 553 天,在此期間,有 130 萬億 (1.3 × 1020) 個鋅原子被射向鉍靶。事實上,森田說,該團隊從一開始就知道成功不大可能:他們計算得出,每 100 萬億次嘗試中,他們只能看到 3-6 次成功。
該團隊早期曾抱有希望。到 2004 年,他們發現了一個似乎是 113 號元素的原子。但是成功的融合無法直接觀察到。將如此多的質子和中子擠壓在一起會產生不穩定的力湧動,並且該原子會在幾毫秒內分解。它會衰變,要麼分裂成兩個較小的部分(“裂變”),要麼吐出一系列小的帶電粒子(“α 衰變”),當這些粒子嵌入周圍的矽半導體時會被檢測到。這些衰變產物的計時和能量暗示了原始材料是什麼,但只有當最終的衰變產物是其性質已知的物質時,它們才能提供確定性。
在理研前兩次可能觀察到該元素的過程中,研究人員記錄了四次 α 衰變,然後發生了裂變反應,他們認為這來自錼 (105 號元素) 的同位素。但尚不清楚 α 衰變鏈是否以 113 號元素開始。至少,這是去年就此類事項作出裁決的機構(一個由國際純粹與應用化學聯合會 (IUPAC) 和國際純粹與應用物理聯合會 (IUPAP) 的專家組成的團體)釋出的技術報告的結論。
競爭對手
技術專家對加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室和俄羅斯杜布納聯合核研究所的科學家團隊在 2004 年報告的單獨觀察結果也不滿意。該團隊使用了不同的反應,將鈣撞擊鋂 (95 號元素) 靶以產生 115 號元素。當該元素分解並衰變至穩定的錼最終產物時,人們認為它會在過程中產生 113 號元素。
在杜布納設施工作的尤里·奧加涅西恩表示,杜布納的實驗(本應產生 113 的不同、更穩定的同位素)的優勢在於,理論上,其反應發生的頻率是日本實驗的 300-500 倍。另一方面,衰變鏈中的每個同位素都是新的,以前從未研究過。該團隊將不得不研究鏈中最終原子的化學性質,以證明它是錼,從而證明 113 號元素在其實驗中短暫存在過,才能讓 IUPAC 和 IUPAP 滿意。
因此,元素週期表上 115 號和 113 號元素的位置是空白的——即使 112、114 和 116 號元素已獲得正式批准。
理研最新的結果似乎回答了所有批評,因為這次他們的錼原子沒有透過裂變衰變,而是吐出了一條由六個 α 粒子組成的鏈,這些粒子是眾所周知的,並且在之前已經觀察到過。“我想說這滿足了 IUPAC 的所有要求,我很樂意把它交給他們,”英國利物浦大學研究超重元素的核物理學家羅爾夫-迪特瑪·赫茨伯格說。
《自然》聯絡的其他研究人員則更為含糊。今年 1 月,杜布納團隊報告了 2010 年 11 月至 2011 年 3 月期間所做的工作,其中包括對錼最終產物的化學分析。
最終,命名權將取決於委員會的決定。去年拒絕了 113 和 115 號元素的技術委員會成員、賓夕法尼亞州匹茲堡卡內基梅隆大學的化學家保羅·卡羅爾表示,該小組現在將考慮兩組的宣告。沒有人應該對快速解決抱有希望:去年的報告從實驗到做出決定用了三年時間。但卡羅爾說,這是一個特殊的延遲,這次審查會更快。
在理研在首次聲稱觀測到該元素的 2004 年釋出的時事通訊中,建議將“理研”和“日本”作為 113 號元素(臨時稱為 ununtrium)的名稱。根據 IUPAC 的說法,元素不能以研究所命名,因此“日本”似乎是首選。
與此同時,森田表示,日本的實驗將於 10 月 1 日關閉,研究人員將轉向下一個未被發現的元素——119 號和 120 號元素。追逐再次開始:德國達姆施塔特的 GSI 亥姆霍茲重離子研究中心的一個團隊在過去五個月裡一直在尋找 119 號元素,該專案的負責人克里斯托夫·杜爾曼表示,其成功率預計為“80-90%”。