人類迄今發現的最重元素被稱為Og（鿫）。 每個Og原子在其緻密的中心包含了驚人的118個質子。 相比之下，氫——宇宙中最豐富的元素，你可以在你的身體、地球的海洋甚至木星的大氣層中找到它——只有一個質子。 科學家在2006年宣佈發現了Og，當時一個俄羅斯-美國團隊在俄羅斯杜布納使用粒子加速器，向重原子靶發射了數百萬萬億的鈣離子。 經過1080小時的碰撞，研究人員創造了三個這種新型超重物質的原子。
幾毫秒後，它們就消失了。
但是，透過仔細計算反應產生的所有輻射和較小原子，俄羅斯聯合核研究所的科學家們可以相當肯定，他們在短暫的一瞬間創造了該元素。 2015年，經過十多年的審查和複核，118號元素正式加入元素週期表，成為世界物質主列表的一部分。 它以俄羅斯研究所的尤里·奧加涅相的名字命名，他是這項研究的先驅。
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但是，還有多少元素尚未被發現？ 僅僅在過去的十年裡，科學家們一直在不斷推進元素週期表，新增比以往任何時候都更重的原子。 表格上每一種基本的自然構成元素都由其原子核中包含的質子數定義。 在Og被正式承認的同時，研究人員還將包含每個原子113、115和117個質子的元素新增到元素週期表中。 我們中的一位（杜爾曼）一直在對幾種所謂的超重元素進行一些首次化學實驗，而布洛克一直在對其中一些元素進行首次直接質量測量和其他研究。 我們發現的每一種新元素都令人興奮，因為它代表一種未知的物質，一種人類從未遇到過的物質形式。
然而，我們無法保留它們。 我們製造的少量原子僅存在短暫的瞬間，就會在過多帶正電的質子相互排斥的壓力下坍塌或轉變。 但是，科學家們懷疑，某些尚未發現的超重元素和同位素（同一種元素的不同中子數的變體）可能會打破這種短暫、誘人的存在的模式。 我們設想的某些元素可能會持續數分鐘，甚至數年而不會衰變。 如果是這樣，它們將形成元素週期表上長期尋求的區域，稱為穩定島。 由於其原子核內部的特殊結構賦予了異常的穩定性，居住在該區域的超重元素可能不僅僅是實驗室短暫的創造物，而是可以真正穩定存在。 最近，科學家們正在發現可能代表該島嶼海岸線的原子。
例如，114號元素的衰變速度比一些計算預測的原子中擠滿那麼多質子時要慢一些。 並且，隨著中子數（原子核中不帶電的質子的伴侶）的增加，最近發現的一些超重元素的半衰期——即一半原子衰變成另一種元素所需的時間——逐漸延長（儘管它們仍然非常短暫）。 這些觀察結果與預測相符——傳統上認為，穩定島位於元素週期表的一個區域，那裡的原子大約有114個質子，並且中子數比迄今為止創造的任何物種都多。 但是，這些略微延長的壽命——僅僅是多了一秒的一小部分的一小部分——激發了一項探索，這項探索一直是幾代重元素研究人員的驅動力。 既然我們已經開始探索穩定島，我們希望繪製出它的邊界，確定其中心的位置——最穩定的同位素所在的位置——並發現這些原子可以持續多久。
近年來，科學家們對元素週期表極端區域的這些奇異居民有了令人著迷的見解。 我們的實驗室技術已經發展到我們可以研究我們創造的超重元素的化學性質，並確定例如它們在室溫下是金屬還是氣體。 而且，如果我們能夠製造出一公斤的它們，這些元素可能會具有全新的——並且可能是有用的——特性，這將使它們與所有已知材料區分開來。 即使我們製造的物質持續衰變太快以至於我們永遠無法將它們握在手中，它們也可以幫助我們更深入地瞭解化學和物質的基本性質。
探索穩定島
元素週期表是化學領域持續不斷地嘗試繪製物質基本性質的地圖。 該圖表是在19世紀開發的，最明確的是由化學家德米特里·門捷列夫，以及獨立地由化學家尤利烏斯·洛塔爾·邁耶開發的。 它按照原子序數（每個原子中的質子數）列出元素，並將它們排列起來以顯示它們與其他元素的原子反應形成化合物的方式的相似性。
幾乎在元素週期表首次制定出來後，化學家們就開始思考它的延伸範圍有多遠。 在自然界中大量發現的最重元素是鈾，其原子核包含92個質子。 但是，隨著原子核內每增加一個質子，正電荷就會增加——庫侖力也會隨之增加，庫侖力會將同性電荷相互排斥。 在某個時候，這種推力變得強於將原子核結合在一起的吸引性的“強相互作用”，原子核會分裂成碎片，這個過程稱為裂變。
點選此處檢視互動式元素週期表。 圖片來源：Jen Christiansen； 資料來源：Christoph E. Düllmann
但是，任何特定元素的穩定性不僅僅取決於它所包含的質子數——它還取決於原子核內質子和中子的排列方式。 根據諾貝爾獎獲得者瑪麗亞·格佩特-梅耶和J·漢斯·D·延森在1940年代後期開發的核殼模型，構成原子核的粒子填充了所謂的核殼層。 類似於原子核內的層，可以容納特定數量的質子和中子，它們類似於原子核周圍容納電子的電子殼層。 在這兩種情況下，完整的殼層都會導致更強的結合，從而提供額外的穩定性。
科學家們在意識到對於特定的質子和中子的“幻數”（2、8、20、28、50和82），原子核更穩定且更難分裂時，構思了殼層模型。 事實證明，這些幻數對應於完整的殼層。 我們已知的原子中質子和中子的幻數是相同的，但不能保證它們會繼續匹配。 質子殼層和中子殼層都充滿的原子核稱為雙幻核。
關於幻數，我們仍然有很多不瞭解的地方。 例如，對於我們尚未發現的原子核，幻數是多少？ 一些理論預測預測，一個雙幻超重原子核將具有114個質子和184箇中子。 儘管我們已經在實驗室中製造了114號元素，但我們尚未製造出具有184箇中子的版本。 然而，在1960年代首次提出的對這種神奇組合的預測表明，這種同位素將非常穩定，以至於其半衰期將接近地球的年齡。 這一預測是首次提出穩定島的概念——這個概念當時激發了這個領域的興奮，並繼續推動著我們。
然而，我們仍然不知道114和184是否是真正的神奇組合。 例如，其他理論框架預測了諸如120或126個質子和172箇中子的構型。 我們對未來幻數的一些預測要歸功於阿爾伯特·愛因斯坦。 他解釋了一個令人驚訝的觀察結果，即原子的質量小於其組成質子、中子和電子的質量之和。 他著名的公式 E = mc2 表明，這種質量虧損反映了結合能——將原子核結合在一起的能量。 因此，稱量具有不同質子和中子組成的原子，使我們能夠識別出那些導致更強結合的構型——換句話說，代表幻數的構型——並確定它們有多穩定。
無論下一個幻數是什麼，我們都認為我們開始遇到穩定島。 實驗發現，超重元素的半衰期隨著中子數量的增加而增加，這表明我們正在接近下一個中子幻數。 例如，在112號元素（鎶，或Cn）的情況下，這種趨勢得到了很好的體現：與Cn 277（具有112個質子和165箇中子的鎶）相比，其壽命僅為約0.6毫秒，Cn 285（具有多8箇中子的鎶，總共173箇中子）的壽命長約50,000倍。 這種模式很可能會繼續向穩定島的中心發展，儘管是否存在無限期穩定的超重元素仍然是一個懸而未決的問題。
然而，這種可能性引發了在自然界中尋找這些元素的探索。 僅僅因為我們沒有大量地看到它們，推理認為，並不意味著它們的微量儲藏沒有隱藏在顯眼的地方。 它們可能是在諸如兩顆緻密恆星（稱為中子星）的碰撞等強大事件中與其他比鐵更重的元素一起形成的，然後散佈在整個宇宙中。 在這種情況下，它們可能存在於從太空射向我們的宇宙射線中，或者可能在地球上的岩石中倖存下來。 科學家們已經使用不同的技術進行了多次搜尋。 例如，預測110號元素（𨭏）當具有184箇中子（一個幻數）時非常穩定，並且可能在化學上與鉑相似，鉑在元素週期表上直接位於其上方。 科學家們使用了諸如X射線熒光和質譜分析等技術來搜尋天然鉑礦石中𨭏的存在，但沒有發現其含量超過十億分之一的證據。
研究人員還在宇宙射線中尋找超重元素的跡象——例如，使用美國宇航局長期暴露設施上的超重宇宙射線實驗——但他們沒有發現確鑿的證據。 努力肯定會繼續下去，因為這樣的發現將具有巨大的意義。 此外，新元素可以轉化為新型材料，每種材料都具有獨特的特性，可能對技術和其他應用有用。
鍛造新元素
因為我們尚未在自然界中發現任何超重元素，所以我們必須自己在實驗室中創造它們。 當前的任務是用更多的質子來豐富“普通”元素的原子核。 在一定程度上，我們可以透過模仿宇宙用來形成重元素的過程來做到這一點。 包含過多中子的原子核容易將其多餘的中子之一轉變為質子，這發生在所謂的β衰變過程中，然後產生原子序數重一個的元素。 我們可以透過用更多的中子轟擊重元素來形成原子序數高達鐨（100號元素）的元素。 然而，到目前為止，還沒有已知的鐨原子核或更重的原子核會經歷相應的β衰變過程，因此這條途徑到此為止。
為了超越，為了創造像難以捉摸的Og這樣的元素，科學家們可以將兩個原子核緊密接觸，以至於強力開始發揮作用。 這種力的作用範圍極短，這意味著原子核必須幾乎相互接觸才能感受到它。 為了達到如此接近的程度，我們必須克服帶正電的質子的排斥力，這意味著我們必須將其中一個原子核加速到大約光速的10％，並將其射向另一個原子核。 這種速度足以克服庫侖斥力，從而使兩個原子核相互表面接觸。 但是，兩個原子核接觸的可能性非常小。 此外，將兩個初始原子核合併成一個組合的原子核變得越來越不可能，系統包含的質子越多，就越不可能。 即使形成了這樣的合併的“複合核”，它也經常幾乎立即分裂回較輕的碎片。 這兩種趨勢——複合核首先形成的機率小，以及一旦形成後分裂的機率大——都強烈地不利於合成更重的元素。
儘管存在挑戰，但研究人員使用這種方法取得了令人興奮的成功。 113、115、117和118號元素，都是按照這種途徑製造的，在2016年獲得了官方名稱。 （國際純粹與應用化學聯合會，或IUPAC，是化學領域的吉尼斯世界紀錄，有權正式認可和命名新元素。）113號元素現在被稱為nihonium（鉨），以紀念日本，合成該元素的實驗在那裡進行。 115號元素是moscovium（鏌），以紀念莫斯科地區，聯合核研究所的所在地，該元素在那裡被發現。 117號元素被命名為tennessine（石田），以紀念田納西州，橡樹嶺國家實驗室在那裡提供了合成新物質所需的97號元素（鉳）的靶核。 具有118個質子的Og，使新的入選者名單完整。
現在，尋找119號元素的熱潮開始了，這將為元素週期表增加一個全新的行。 儘管包括我們自己在內的幾個小組一直在追求這些更高的原子序數，但迄今為止，沒有人成功，儘管他們在世界上最強大的加速器上投入了數週甚至數月的時間。 一個障礙是，迄今為止用於合成Og的成功途徑——將鈣原子撞擊到更重的原子核上——在118號元素處戛然而止，因為我們沒有足夠數量的具有超過98個質子的原子核用作靶標。 科學家們現在正試圖確定哪些已知的和可用的元素組合能夠提供產生新物種的最佳機會。
奇異的化學
即使這些新物種轉瞬即逝地衰變，科學家們最近也在其能力上取得了突破，即在元素存在的短暫時間內進行實驗，以瞭解它們的化學性質和特性——例如它們在室溫下更像金屬還是氣體。
研究人員研究過化學性質的最重元素是鈇（114號元素，或Fl）。 鈇在元素週期表上的位置，在鉛的下方，意味著它應該是一種典型的重金屬。 但是，早在1975年的理論就表明，它實際上可能更像惰性氣體——一種非常惰性的氣體，很少與其他物質發生相互作用。
圖片來源：Jen Christiansen
鈇的奇怪的預期行為都歸結於其原子核包含多少質子，以及因此它們的帶電程度有多高。 重元素原子核的極端正電荷會將其帶負電的電子加速到可以達到光速80％的速度，從而導致它們以不同的軌道形狀圍繞這些原子核旋轉，這些軌道形狀的間距與較小元素的軌道形狀不同。 例如，對於鈇，其最外層兩個電子軌道的能級之間的間隙比類似的較小原子核（例如鉛，它在元素週期表上正好位於鈇上方）要寬得多。 在鉛的情況下，形成化學鍵將比鈇更容易提供電子克服此間隙所需的能量。 因此，鈇可能不像其較輕的對應物那樣容易發生化學反應。 因此，它可能更像其他不喜歡發生化學反應的元素——惰性氣體——而不是像鉛這樣的典型金屬。
然而，很難準確預測鈇的行為。 理論普遍認為它應該比鉛更惰性，但它可能比真正的惰性氣體更具反應性，並且可以例如與諸如金之類的元素形成弱金屬鍵。 因為我們還沒有能夠製造出足夠大的量來用肉眼觀察它，所以沒有人知道這種元素在大量狀態下會是什麼樣子。 一些預測表明它可能呈現銀白色或淡灰色，並在室溫下呈固態。
儘管我們每天只能生產出這種物質的單個原子，但鈇的有趣特性激發了科學家們不遺餘力地對其進行實驗。 此外，即使是壽命最長的已知Fl同位素的半衰期也只有一到兩秒。 我們擁有的用於生產鈇的最佳設施之一是德國GSI亥姆霍茲重離子研究中心的反式錒系元素分離器和化學裝置（TASCA）。 在那裡，我們將鈣48束射向覆蓋有鈽244的旋轉靶輪。 當產生鈇原子時，磁鐵將它們引導到一個稱為低溫線上多探測器系統，用於超錒系元素的物理和化學研究（COMPACT）。 該機器由兩組32釐米長的矽探測器陣列組成，彼此相對，相隔約半毫米，形成一個狹窄的矩形通道，快速流動的氣體迫使鈇透過該通道。 探測器覆蓋著非常薄的金層，這使我們能夠研究鈇原子如何與這種金屬相互作用。 第一個探測器通道保持在室溫下，但第二個通道的末端用液氮冷卻至-160攝氏度以下，因為弱鍵——如惰性氣體所表現出的那樣——只有在低溫下才足夠強以結合鈇原子，而在較溫暖的環境下則不夠強。 如果鈇的行為更像金屬而不是惰性氣體，那麼它將在通道較溫暖的開始處首次接觸時吸附在金上。 但是，惰性氣體與金的相互作用太弱，無法在室溫下保持結合，因此，如果鈇的行為更像惰性氣體，則它將在通道的後一部分結合，即使有結合的話。
當我們的研究小組使用這種裝置時，我們觀察到兩個原子都在室溫探測器中衰變，這表明鈇結合，然後迅速衰變，更像金屬而不是惰性氣體。 然而，另一個早期的實驗，由瑞士保羅·謝勒研究所的一個小組進行，並在俄羅斯弗廖羅夫核反應實驗室進行，觀察到三個原子。 儘管其中一個在通道的早期部分衰變，但另外兩個在-90攝氏度左右的低溫下被發現。 實驗人員將此結果解釋為暗示更像惰性氣體的行為。 我們目前正在分析最近在GSI獲得的資料，我們希望這些資料將闡明這種令人興奮的元素的性質。
超重元素的突破
最近，我們中的一位（布洛克）和他的團隊對超重元素——鍩，或102號元素——進行了首次雷射光譜實驗。 他們能夠透過用鈣原子（20個質子）轟擊鉛靶（82個質子），以每秒幾個粒子的速率產生鍩原子。 然後，布洛克和他的同事在氬氣中減慢了產生的鍩原子的速度，並向它們發射雷射脈衝。 如果雷射脈衝的能量合適，鍩電子將吸收雷射能量並從原子中逃逸。 透過改變雷射脈衝的頻率，他們能夠精確地測量從鍩原子中移除電子所需的能量。 這種“電離能”是影響元素在元素週期表上位置的特徵性質之一。 它決定了該元素與其他元素髮生反應並形成化學鍵的可能性。
我們首先對同位素No 254（具有152箇中子的鍩的一種變體）進行了這些研究，最近將實驗擴充套件到另外兩種鍩同位素No 252和No 253，以瞭解不同的中子含量如何改變原子電子能夠吸收的能量。 結果將告訴我們這些同位素的原子核的大小和形狀如何變化——帶正電的原子核的不同構型將影響帶負電的電子的軌道和行為方式。
科學家們還在超重元素和更普通的原子之間建立化學鍵，以研究這些奇異物種如何相互作用。 最近的一個例子是合成含有𨭎（106號元素）的分子。 在日本理化學研究所仁科加速器科學中心進行的實驗中，杜爾曼的小組領導一個團隊，生產出半衰期約為10秒的𨭎同位素原子。 然後，科學家們向含有𨭎的腔室中添加了一氧化碳，並發現重元素轉變成六羰基化合物，其中六個一氧化碳分子與中心𨭎原子結合。
杜爾曼和他的同事們發現，在這種情況下，𨭎的行為很像其較輕且更熟悉的同系物鎢和鉬，它們具有相同數量的價電子。 在一項為期約兩週、晝夜不停的𨭎實驗中，研究人員觀察到𨭎與一氧化碳分子形成與鉬和鎢相同型別的化合物，速率相似。 科學家們現在正轉向測試這三種元素中哪一種與一氧化碳形成最穩定的鍵——1990年代後期進行的計算表明將是𨭎，但最近和更高階的計算預測𨭎與一氧化碳的鍵將比鎢的鍵弱。
這些只是當前正在進行的超重元素實驗以及我們希望回答的許多未解決問題的幾個例子。 儘管元素週期表中這些最新的成員無疑非常奇異，但實驗研究提供了越來越多的直接資訊，說明它們如何融入我們日常生活中遇到的更常見元素所建立的相同元素系統。 無論它們是不穩定的還是長壽命的——實際上，無論我們是否找到穩定島的中心——超重元素都可以在自然界化學構建基塊的運作方式方面教給我們很多東西。