對於元素週期表上新的人造重元素來說，“對於自身而言‘太大’”通常意味著不穩定和短暫的存在。科學家們擠壓在一起構建“超重”原子核（質子總數大於103的原子核）的質子和中子越多，由此產生的元素就越脆弱。到目前為止，人類設法制造的所有超重元素幾乎都瞬間衰變。然而，在勞倫斯伯克利國家實驗室透過粒子加速器合成這些重原子的研究人員現在已經朝著難以捉摸的“穩定島”邁出了重要一步——元素週期表中的一個假想區域，新的超重元素可能最終能夠持久存在足夠長的時間來打破這一趨勢。
該團隊使用一種涉及鈦50的新穎方法成功合成了元素116，即鉝。鈦50是一種稀有同位素，約佔地球上所有鈦的5%。透過將這種鈦加熱到華氏3000度並將其匯入高能束中，研究人員能夠將這種粒子流轟擊其他原子，從而製造出超重元素。儘管鉝以前也使用其他技術製造過，但這種創新方法為合成新的、甚至更重的元素鋪平了道路，有可能擴充套件元素週期表。
日本理化學研究所仁科加速器科學中心的研究員羽場宏光說：“這項成就真具有開創性。”他沒有參與這項研究。羽場補充說，這一壯舉“對於進一步發現新元素是必要的”。這項工作在七月份的核結構會議上進行了展示，目前正在物理評論快報雜誌上進行審稿。
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超重核聚變的“簡單”數學
伯克利實驗室是88英寸迴旋加速器的所在地——這是一種產生電磁場的裝置，可以推動原子核擺脫其周圍的一些電子，並以高速衝向其他靜止的原子。使用這些機器，超重元素的合成就歸結為簡單的數學：要形成一個有116個質子的元素，你需要融合兩個原子核，它們之間的質子總數加起來為116。然而，正如核物理學中經常出現的情況一樣，這個過程並不完全那麼簡單。
傳統上，鈣48一直是超重聚變反應的黃金標準同位素，因為它具有“雙幻數”性質。原子核被旋轉電子的軌道殼層包圍；擁有“幻數”質子或中子的原子核可以完全填滿一個殼層，因此非常穩定，而同時擁有“雙幻數”的兩種粒子型別的原子核則格外穩定。但是鈣48的低質子數限制了其用於製造更重元素的效用。可以與鈣48（20個質子）結合的最重穩定元素是鋦（96個質子），從而產生鉝（116個質子）。雖然鈣48和更重的鉳（97個質子）已被用於合成元素117，但密歇根州立大學稀有同位素束設施的首席科學家維托爾德·納扎雷維奇（他沒有參與這項新研究）說，鉳“極其難以生產”。“如果我們想製造大多數更重的元素，我們需要一個質子[比鈣48]更多的束。”
為了製造這樣的束，研究團隊轉向鈦50，試圖將其與鈽融合以製造鉝。“在我們進行這項實驗之前，沒有人知道用鈦製造東西有多容易或多困難，”伯克利實驗室重元素組負責人兼該研究的主要作者傑克琳·蓋茨強調說。
與雙幻數且高度穩定的鈣48不同，鈦50明顯是非幻數的，並且缺乏極端的穩定性。它的熔點也幾乎是鈣的兩倍，因此更難加工。即使發生碰撞，鈦50原子的較低穩定性也會降低成功融合的機率。“這就像每天看到一個合成原子與每10天甚至更糟的情況之間的區別，”蓋茨解釋說。儘管存在這些挑戰，但鈦50仍然成為下一個最佳候選者，因為它提供了創造鈣無法企及的超重元素的希望。
一旦同位素準備好並且迴旋加速器開始執行，這個過程就變成了一場等待遊戲。連續不斷地將鈦束轟擊鈾靶，兩個原子核之間發生任何碰撞的機率都極小。“如果你把一個原子放大到足球場那麼大，原子核就只有豌豆那麼大，”蓋茨說。“我們每秒向我們的靶標轟擊六萬億個鈦粒子，僅僅是為了有統計學上的機會接近原子核。”
這種高強度的轟擊和成功碰撞的稀有性意味著合成可檢測量的所需鉝需要22天。
尋找穩定島
鈦50的成功使用標誌著超重元素合成領域向前邁進了相當大的一步。除了證明該技術的基本可行性外，這項實驗還提供了關於與鈦50粒子束相關的“截面”的關鍵資料。（截面是衡量當兩個粒子碰撞時，基於碰撞能量，特定結果（例如鉝的融合）的機率的指標。）
有了這個基礎，鈦50聚變的下一個雄心勃勃的目標是製造元素120，這將需要與鉲碰撞。元素120將是迄今為止製造的最重的元素，也是元素週期表第八行中的第一個元素。根據一些模型，該元素也應該是相對長壽命的，使其成為長期尋求的穩定島上的灘頭堡。儘管理論模型對於其基於鈦的合成所需的確切能量幾乎沒有確定性，但這些先驅結果提供了寶貴的見解。“[這項研究]獲得了截面實驗結果，現在他們知道哪個[理論]模型最可靠，”納扎雷維奇解釋說。羽場補充說：“我們正在尋找極端狀態下的原子核，這在理論上仍然難以預測……但是，絕對沒有理由認為元素120不能用這種方法合成。”
雖然這種新元素的創造可能還需要數年時間，但潛在的發現有望為電子殼層和元素週期表提供新的見解，這可能對核物理學、材料科學和其他領域產生深遠的影響。“你將能夠訪問g軌道，”蓋茨說，他指的是一種從未被觀察到的理論上的新電子構型。“這就像進入一個全新的化學領域。”