走进“宇宙最重原子”制造工厂

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走进“宇宙最重原子”制造工厂

选自《参考消息》2019.03.05报道

【英国《新科学家》周刊2月27日一期文章】题：走进制造宇宙中最重原子的俄罗斯工厂（作者基特·查普曼）

杜布纳小城坐落在莫斯科以北靠近伏尔加河的茂密松林中。离市中心不远，有一条草木繁盛的大街，布满苏联时期的建筑物。很明显，在我造访时，这里的好日子已经过去了。横在进出通道的铁路道口破旧失修，闪光灯不断地显示有火车到来，但永远不会有火车经过。几栋楼房的窗户破败不堪。

新元素补充元素周期表

但在这片建筑群中，有一个地方正在发生一些开创性的事情。一个巨大的混凝土车间里，戴着安全帽的工人们正忙着组装世界上最强大的研究机器之一。在我观看时，站在我身边的是世界上唯一健在的用其名字命名化学元素的人。尤里·奥加涅相―118号化学元素先生―几乎是慈爱地凝视着车间中央那个4．米宽的金属圆盘。

这是一台机器的首批部件之一，而这台机器不久将开始产生出化学元素，但这可不是普通的化学元素。这些元素将是超重元素。

通过第一次制造出数量足以供研究之用的这类奇异的原子，奥加涅相和他的机器应该能够回答有关我们的宇宙是如何形成的一些重大问题，或许还可能给我们提供一个惊人的能星来源。他甚至可能会推翻支撑元素周期表本身的某些规则。

现代元素周期表的诞生可以追溯到另一个俄罗斯城市―圣彼得堡。正是在那里，一位名叫德米特里·门捷列夫的科学顾问帮助人们穿透150年前的化学乱象，发明了化学元素周期表。

有了门捷列夫的周期表，化学结构开始变得更加可以理解。这个俄罗斯人根据原子量把已知的63种元素编制成表。我们现在知道，原子量是由原子核中的质子和中子的数量决定的。

随着时间的推移，化学家发现了更多的元素，填补了门捷列夫在元素周期表上留下的一些空白。到了20世纪40年代，我们已经制造出第一批合成元素，比如得。但是得太不稳定，·无法在地球上大量存在。

然而，我们通过向原子核中填充更多质子和中子，来不停地试图制造新的元素。为此．我们需要一台粒子加速器。这类工作在杜布纳那片建筑群已经开展很多年。那里就是联合原子核研究所。这家机构成立于冷战期间，以便同瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心粒子物理实验室进行竟争。

联合原子核研究所最重要的部分是弗廖罗夫核反应实验室。在这个实验室，回旋加速器沿磁螺旋状轨道抛掷带正电离子。一旦达到相当高的速度，带电离子就被发射出去，沿着轨道去轰击一个作为标靶的原子核。

大多数情况下，憧击的结果是两者俱碎。但在小概率情况下，它们会融合成一个超重原子。

“超重元素工厂”蓄势待发在过去几年里，日本、德国和俄罗斯的加速器用这种方式制造出大量新的超重元素，直到118号元素出

现。但我们对这些超重元素几乎一无所知。目前为止最先进的实验是，让新合成的原子穿过一个金钉阵列，金钉的温度呈梯度变化，观察黄金的温度必须在多高的情况下才能使那些原子结合在一起。要想进行更多的实验，需要更多的原子样本。

然而，有迹象表明，超重元素的性质与其他元素不一样。英国利物浦大学的罗尔夫一迪特马尔·赫茨伯格说：“我们认为．，一组元素的化学性质在某种程度上发生系统性变化。”但计算结果显示，我们已经制造出的超重元素中有几个像情性气体，尽管它们并不属于惰性气体。赫茨伯格说，如果是这样，“你得问问自己，我们所知道的元素周期表是否还有效”。

2016年我参观弗廖罗夫实验室的时候，它还在建造新的回旋加速器，被称为“超重元素工厂”。这并非易事，因为这种机器依赖更强的离子束，这就意味着要安装一个大得多的磁铁。

能制造一个2000吨重的电磁铁的地方只有这么多。俄罗斯科学家选择乌克兰东部的一家工厂。但就在2014年磁铁即将装运时，战争爆发了。联合原子核研究所的工作人员说，他们打电话到工厂检查情况时，可以听到背景中有枪声。幸运的是，磁铁被安全放到火车上，并在几天后抵达―经过我在路上看到的那个破旧的铁路道口。

如今，“超重元素工厂”正在进行最后测试，准备今年春天进入全面运转。这下一个最好的回旋加速器可以每周产生一个超重原子。“超重元素工厂”的生产率是以前的100倍，所以我们很快就应该有

足够的超重原子来开始尝试新的实验。

参与发现几个超重元素的美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的马克·斯托耶说：“你可以考虑将它们捕获，测量它们的质量。你也可以进行化学实验。”例如，可以把这些原子送入一个装有某种活跃元素（比如氯）的反应室，看看它们是否与这种活跃元素结合。如果没有结合，这就显示这些原子像情性气体一样不活跃。

潜藏价值拓展物理领域

或许在超重原子中还会发现新的潜藏价值。这是因为元素有不同的形式，称为同位素。每个同位素的中子数量不同。元素由原子核中的质子数来定义：如果有一个质子，那就是氢，如果有两个，那就是氦，等等。但氦同位素的原子核可以包含一个、两个或零个中子。

在元素周期表上的重元素也是类似情况。以114号元素为例（它最早也是在弗廖罗夫实验室制造的）,它有不同的同位素。但这次有可能其中一些同位素在很长一段时间内保持稳定。

原子核中的粒子与电子一样分布在多个壳层。

1963年，物理学家玛丽亚·格佩特一梅耶、汉斯·延森和尤金·维格纳因为提出一个原子核中的中子数和质子数可以为“幻数”而获得诺贝尔物理学奖。这就相当于当原子的壳层结构填满时，原子核就会非常稳定。根据这一理论，应该有一些极为稳定的超重元素。

找到这个传说已久的“稳定岛”可能非常有用。“稳定岛”上的任何超重元素都可能持续数千年时间，并且由于其巨大的体积而蕴含惊人的能量。它们可以成为核电站极好的燃料。

“超重元素工厂”是我们到达“稳定岛”边缘的最佳机会。

英国曼彻斯特大学物理学家乔恩·布洛斯说，即使“超重元素工厂”没能获得成功，它也会引发很多兴趣。

他说：“它可以帮助我们了解物理学其他领域，比如超新星。”我们知道，超新星和中子星碰掩中产生超重元素，而超新星和中子星碰撞是非常复杂的宇宙现象，连我们最好的计算机都无法模拟。

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