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一个传说中的俄罗斯实验室正试图推动元素周期

2019-04-15 14:54:50 特区野生动物87℃

  一个传说中的俄罗斯实验室正试图推动元素周期表超越其极限 - 并发现异国情调的新元素

  俄罗斯杜比 - 从某些角度看,Flerov核反应实验室看起来更像是一家汽车修理厂,而不是传说中的科学研究所。肮脏的蓝色工作服的科学家走来走去,而一个油泵重击技术节拍。桌子上摆满了螺栓和清洁液,包括一半装满乙醇的伏特加酒瓶。备件随处可见 - 垃圾箱,架子,整个墙壁都充满了各种各样年久失修的金属碎片。

    

    

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          虚拟浏览周期表的历史记录

        

        

        

                  

    

    

    

        所有这些东西都服务于实验室的六个粒子加速器,其中一些类似于巨大的机械毛虫,几十个拖拉机绿色部分缠绕整个房间。或者多个房间:当设备不合适时,研究人员敲墙壁和螺纹孔通过具体的事情。看到整个加速器需要一些严肃的gymnastikaka,危险的陡峭楼梯和躲避悬挂电线的anacondas。你躲在下面的管道上有警告标志要注意 - 不是你的头,而是装备。在Flerov,粒子拥有通行权。

  理所当然。在各种迭代中,这些加速器在过去的半个世纪中在周期表上产生了九个新元素,包括最重要的五个元素,最多为118个。

  领导这项工作的人是物理学家Yuri Oganessian,自从Nikita Khrushchev于1956年签署命令,在莫斯科以北2小时在这里的白桦林建立秘密核实验室以来一直在Flerov。 85岁的Oganessian是一个白头发浓密的矮个子男人,当他兴奋的时候,他的声音吱吱作响。他想在大学里学习建筑,直到官僚主义的混乱将他转移到物理学中。他仍然错过了他的初恋:“我真的需要一些视觉上的科学知识。我感到这种不足。”

  恰恰相反,没有一个活着的人比他有更多的塑造周期表的结构,这就是元素118被称为oganesson的原因。他还没有完成。为了进一步推动这个桌子,该实验室已经建造了一个价值6000万美元的新设施,被称为超重元素工厂(SHEF),它将在今年春天开始寻找119,120或两者。

    

      

      

            

    

    

    

        一些科学家认为寻找新元素并不值钱,特别是当这些原子本身不稳定并且会在眨眼间消失时。 “作为一名科学家,我个人并不觉得这令人兴奋,只是为了生产更多短命的元素,”在东兰辛密歇根州立大学研究核结构的物理学家Witold Nazarewicz说。

  但对元素猎人来说,收益是令人信服的。新元素将表格 - 现在七行深 - 扩展到第八行,其中一些理论预测将出现异国特征。该行中的元素甚至可能会破坏表格的周期性,因为化学和物理特性可能不再以规则的间隔重复。进一步推进到第八行也可以回答科学家们自Dmitri Mendeleev那天以来所摔跤的问题:多少元素存在?桌子到底有多远?

  在某些方面,建立SHEF的决定很艰难。除了高成本之外,建造“工厂”意味着将旧的加速器 - 产生了许多新元素 - 放弃到其他项目中。 “情绪化,”Oganessian说,“让你离线的东西并不容易。”但没有别的办法。“

  在自然界中发现的最重的元素是铀,原子序数为92.(原子序数是指原子核中质子的数量。)除此之外,科学家必须在加速器中创造新的元素,通常是通过粉碎光束原子进入重原子的目标。每隔一段时间,轻原子和重原子的原子核碰撞并融合,一个新的元素就会诞生。例如,将氖(元素10)撞入铀会产生铌(102) )。

  但随着原子变得更重,融合(和存活)的可能性显着降低,因为带正电的原子核之间的排斥增加,以及其他因素。因此,在超重领域(超过104)创建大多数元素需要特殊的技巧。 Oganessian在20世纪70年代开发了一种:冷聚变。与20世纪80年代臭名昭着的核电工作无关,Oganessian的冷聚变涉及将光束和目标原子结合在一起,这些原子在尺寸上比传统的元素制造更加相似。而不是将它们粉碎在一起,“我们将两个原子核组合在一起,以便它Oganessian说:“这是一种柔软的感觉。这样做比听起来更难,因为光束和目标原子核都带正电,因此相互排斥。进入的原子需要足够的速度来克服这种排斥,但不是那么多将产生的超重核分开。

    

    

      元素制造者

    位于俄罗斯杜布纳的耗资6000万美元的超重元素工厂(SHEF)旨在通过将一束原子核与目标相撞来创造延伸周期表的新元素。与以前的加速器相比,SHEF具有更强的光束,在狭窄的空间内加速到光速的大约十分之一。

   

    

        

    

      

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  束原子

  挫败

  超重原子

  Separatedparticles

  探测器

  Alphaparticle

  Detectedsuperheavyatom

  目标原子

  光束被分开并重定向到另一个房间(下方)中的目标,分离器和探测器。

  创建,分离和检测

  1加速后,光束原子撞到坐在薄箔上的目标原子(不按比例)。 2如果发生融合,所得的超重原子飞过箔片并与外来的束原子分离。 3探测器上的原子地。 4原子脱落了α粒子,这种探测器或次级探测器可以感知,允许科学家重建原子的身份。

  强迫婚姻

  每秒产生6万亿个beamatoms。

  1离子源

  将光束旋转90°并将其转换为回旋加速器。

  2静电导流板

  当粒子在回旋加速器内加速时,将粒子弯曲成螺旋形路径。

  3磁铁线圈

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        C. BICKEL / SCIENCE

            

                

      

    

    

    

    

        位于德国达姆施塔特的GSI亥姆霍兹重离子研究中心的一个团队完善了Oganessian的技术并用它创造了元素107到112.但是这种方法遇到了限制,因为融合和生存的几率急剧下降。从2003年开始日本Wako的RIKEN研究所的一个研究小组试图利用冷聚变制造元素113,将锌(元素30)烧制到铋(83)上。他们在明年获得了一个原子而在2005年获得了另一个原子,他们在庆祝他们的控制室里有欢呼声,啤酒和清酒。

  然后,痛苦开始了。需要一个原子来证实这一发现,RIKEN团队在2006年和2007年重新进行了实验。没有出现。他们在2008年和2009年再次尝试过。没什么。直到2012 - 7年后 - 他们才发现了另一个。 “老实说,我们觉得我们不会幸运,”RIKEN核化学家Hiromitsu Haba回忆道。 “只有上帝知道统计数据。”在衰变之前,没有原子存活超过5毫秒。

  超越113需要一种不同的方法,热融合,Flerov科学家在20世纪90年代后期开发出来。热聚变使用更高的光束能量,并依赖于具有大量过量中子的特殊同位素,即钙-48。 (中子通过稀释质子的排斥力来稳定超重原子,否则它会撕裂细胞核。)钙-48是昂贵的 - 必须从天然钙源中费力地分离 - 每克250,000美元。但投资得到了回报。 RIKEN出汗9年,找到了113个原子.Dubna在6个月内抓住了114个原子,发现Oganessian及其同事在他们的控制室里用欢呼声,啤酒和烈酒来庆祝。

  在那时,产生接下来的几个重复主要是算术。钙是元素20,钙加上americ(元素95)产生元素115.钙和钙(96)产生元素116,依此类推。到2010年,杜布纳与加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室和田纳西州橡树岭国家实验室的科学家合作,填补了元素周期表的第七排。

  然而,在118之后,事情再次停滞不前。融合需要几毫克的目标元素,并且利用当今的技术生产足够的e(元素99)来制造元素119是不可能的。一些研究人员提出用含有两个质子的钛-50代替钙-48然后再烧制它在元素97和98分别产生119和120.但由于技术原因,融合的可能性只有钛的二十分之一和钙的一样高。对于大多数加速器,这会降低成功的几率。 RIKEN的实验再次创造了113-上帝的统计数据。

  SHEF旨在克服这些障碍。与旧款Flerov加速器的油脂猴感相反,SHEF是原始的:泡沫包装仍然覆盖门把手,现在地板一尘不染。

    

    

    

    

        

    

        

        

        

                    

              

    

        位于俄罗斯杜布纳的Flerov核反应实验室的一个办公室保留了数十年历史的仪器和一张过时的元素周期表。

    

            

                            

              

    

        MAX AGUILERA HELLWEG

            

                

      

    

    

    

    

        总的来说,SHEF是强壮和精致的融合。光束起源于离子源和加速器,其高度为两层,比城镇中的一些dachas大。离子源每秒发射6万亿个原子,是其他元素制造加速器的10到20倍。经过几个90°的转弯 - 在紧凑的空间内最紧凑的布置 - 光束直线下降到一个巨大的回旋加速器,其在这里的存在非常显着。 Flerov物理学家亚历山大·卡尔波夫(Alexander Karpov)表示,回旋加速器的1000吨磁铁于2014年在乌克兰克拉马托尔斯克(Kramatorsk)制造,靠近最近与俄罗斯的战争前线。该市遭受了猛烈的炮击和其他军事行动,卡尔波夫说实验室工作人员很紧张,磁铁会被损坏或毁坏。

  在将光束加速到大约光速的十分之一后,回旋加速器将其引向操作的精细部分:微米级薄金属箔,目标原子镀在它们上面。这些薄膜安装在大小与CD大小相同的磁盘上,该磁盘旋转以保持冷却。如果它没有,光束会在其中炸出一个洞。

  如果发生熔合,则所得的超重原子在箔片中航行。不幸的是,这种薄膜非常薄,以至于其他颗粒的碎片也会滑过,产生暴风雪的外来噪音。这是分离器发挥作用的时候。它由五块磁铁组成,与消防车一样漆成同样的亮红色,共重达一到64吨的两倍。尽管体积很大,但磁铁对准的距离在0.01毫米以内,它们的磁场足够精确,可以滤除较轻的原子,包括几乎所有的束原子,将它们转换成称为束转储的装置。

  与光束源一样,分离器为SHEF提供了优势。早期的分离器被调谐到具有窄范围速度,电荷和方向的超重原子;那些偏离太多的东西最终落在了梁堆中。新的分离器更加慷慨,传递的是超重原子的两到三倍。

  在通过分离器后,原子到达硅锗探测器,记录原子的位置和到达时间,然后开始监测它。超重原子通过发射一系列α粒子 - 束两个质子而衰变。两个中子。释放一个alpha会改变原子的身份:元素118变为116,变为114,依此类推。

  这个衰变链是让科学家能够追溯识别他们所创造的元素。链中的每个α粒子都以特有的能量飞散。所以,如果探测器发现具有正确能量的α,并且至关重要地看到它从探测器上的同一点出现,一个超重原子刚刚降落 - 它开始密切关注更多的alphas。

  为了帮助进行搜索,探测器会自动关闭回旋加速器光束,以减少飞行的飞行量。关机也会在SHEF的控制室内发出一声响亮的哔哔声,一些可能无聊的科学家将会坐在那里。(最近访问另一个控制室时,两名研究生正在观看科幻怪物电影。)钟声在单调中充满了兴奋。

  它也是多余的。在探测器内部,原子将继续消失alphas:事实上,在科学家甚至记录声音之前,衰变链中的几个事件已经发生过了。有了反复,它很难来,很容易走。只有在科学家梳理原始数据并将每个检测到的α粒子与衰变链中的特定元素相匹配时,他们才能重建他们最初创建的元素。

  理论上,更强的光束和更大的分离器应该抵消钛-50熔合的较低几率。这让Dubna团队希望119或120的原子很快就能显露出来。 RIKEN的一个团队也在寻找119,尽管使用了一种不同的,也许更难的方法(将钒,元素23射到cur上)。在两个实验室之间,科学家们相信119和120将在大约5年内出现在某个地方。

    

    

    

    

        如果你向后看几十年,人们已经大约每3年制造一个新元素 - 直到现在。

    

    

    

        赫尔辛基大学PekkaPyykkö

    

    

        接下来的5年让人们担心。热融合可能无法创造超过120的元素。检测它们同样会很困难:如果预期寿命下降得太低,原子可能无法在1微秒的行程中幸存下来。他们可以衰变中飞而不是鬼魂原子消失得无影无踪。

  那么,超过120,可能需要新的方法。 “多核转移反应”将涉及以相对较低的速度将铀煅烧到cur上 - 另一种“软触摸”。它们的原子核不会完全熔化,但是一块可能会断裂并闪烁到另一块上。根据块的大小,科学家甚至可以跳到更高的元素数而不是一次一个原子序数。

  然而,这些方法仍未得到证实。 “重元素科学家喜欢一次做一件作品,”加州劳伦斯伯克利国家实验室重组元素负责人杰克琳盖茨说。她说:“我们甚至不知道要寻找什么 - 要寻找什么样的半衰期,要寻找什么样的腐烂特性。”

  鉴于这些困难,一些科学家提出了开沟加速器。在一种方法中,低功率核母细胞将诱导靶原子中的聚变反应。这并不像听起来那么疯狂:元素99和100首先在大气原子弹测试的结果中被识别出来。尽管如此,大多数科学家对这种方法持怀疑态度,因为它具有明显的辐射危害和超重原子的短寿命,这可能是在他们可以从核碎片中筛选之前到期。

  其他科学家建议以老式方式寻找新元素:在自然界寻找它们。几十年前,这实际上是一种流行的消遣,因为物理学家搜寻宇宙射线,陨石,月亮岩石,甚至是古代鲨鱼牙齿以进行超级复活。这些项目什么也没发生过。如今,焦点已经转移到超新星爆炸和异常的恒星,如Przybylski的恒星,其光谱显示出e的迹象,否则在自然界中从未发现过。这可能是恒星的热,密集的内部甚至更重的元素。

  尽管如此,自然界并不能保证超重元素的存在。而且长期干旱 - 自2010年以来没有创造新元素 - 一些研究人员担心。

  赫尔辛基大学的理论化学家PekkaPyykkö说:“如果你向后看几十年,那么人们已经大约每三年就有一个新元素 - 直到现在。”今天的贫瘠可能是新常态。

    

    

      填写表格

    近几十年来,一些国家的实验室用人工元素扩展了桌面。更多可能被创建(灰色)到172.赫尔辛基大学的化学家PekkaPyykkö的计算预测表格的周期性将在某些地方分解,使139和140等元素不再按数字顺序排列。

   

    

        

    

      

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  D b

  SG

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        N. DESAI / SCIENCE

            

                

      

    

    

    

    

        即使科学家能够克服创造新元素的技术挑战,其他问题仍然存在:甚至假设有多少元素存在?元素周期表能走多远?

  一个突出的理论预测元素172的结束。没有人知道在这一点上会发生什么,但是出于量子力学原因,原子的核可能开始吞噬电子并将它们与质子融合,产生中子作为副产物这个过程会一直持续到质子数回落到172,对原子序数提供一个硬帽。(如果这听起来很奇怪,那就是量子力学。)

  其他研究表明元素将在172年之前耗尽。随着原子核变大,质子之间的排斥力变得势不可挡。根据普遍的共识,核必须存活至少10-14秒才能算作新元素。鉴于110年代已经存在多么脆弱的元素,更重要的元素可能难以持久。一些科学家预测核可以通过扭曲成异形的形状 - 空心气泡甚至是纹状的巴基球来克服这个问题。但其他科学家怀疑这些形状是否稳定。

  这是一种耻辱,因为激动人心的事情可能发生在130年代或140年代。特别是,周期表的必要条件 - 它的周期性 - 可以完全分解。

  通常,表中同一列内的所有元素具有相似的化学和物理性质。但这种趋势可能永远不会成立。世界各地的科学家通过研究它们如何粘附在不同的材料上,成功探索了单个超重原子的特性。在110年代,色谱柱和化学行为之间的联系似乎已经破裂。

  例如,元件114在室温下就像气体一样,即使其上方的元件铅是可以想象的最不气体的物质。类似地,尽管元素118落入惰性气体柱中,但理论预测它将容易吸引电子 - 这是其他惰性气体所不能做到的。这些异常是由于相对论效应而产生的:超重核的高浓度电荷会扭曲周围电子的轨道,从而影响它们的行为和形成键。

  正如哈巴所说,“超重元素的化学特性非常独特,我们不能简单地推断出来。”尽管114和118似乎只是偏离预期,但即使是较重的元素也可能具有极其意想不到的特性,因为相对论效应只会随着元素增加而变大。那么异常元素应该去哪里?在他们的原子序数表示它们应该去的列中,还是在具有相似属性元素的列中?

  答案取决于你问谁。对于一些科学家来说,该表主要是关于潜在的原子结构,而不是化学行为。因此不允许偏差。其他研究人员更务实。 “元素周期表对于告诉我元素的化学成分更有用,所以我会主张改变它,”盖茨说。

  

  Pyykkö将异常元素的概念推向极致,通过172计算所有元素的理论属性,并将它们安排到一个未来派的表格中。结果是震惊:在某一点上,原子序列从164跳回到139和140,然后向前跳到169(见表,左)。奇怪的桌子现在挂在他的办公室墙上。 “当我发表讲话时,”他说,“我经常开玩笑说,这个元素周期表应该在本世纪剩下的时间里足够了。”

  除了桌子结构的分歧之外,人们认为追求新元素是值得的,而那些认为“浪费时间和资源的人”之间存在更深层次的裂痕。盖茨表达了她的怀疑态度:“对于元素119或120,我们的当前的技术,你可以看到一个原子可能存在多年的光束时间 - 这会告诉你什么?

  尽管如此,她还是明白为什么有些实验室会追求新的元素:“一个新元素是让人们感兴趣的东西.......它确实可以帮助你获得资金。我只是不认为这是推动实验的科学。这是政治。“事实上,RIKEN对元素113的9年追求带来了不错的预算提升。由于113是亚洲创造的第一个元素,科学家们成为了日本的民间英雄。有人甚至发表了一本关于他们作品的漫画漫画书。

  杜布纳科学家认为他们的工作不仅仅是奖杯狩猎。卡尔波夫拥有四件运动夹克,并在每个(dubnium,flerovium,moscovium和oganesson)上穿着不同的俄罗斯主题元素领钉 - 制作新元素的方法可以验证关于他们的半衰期和其他属性的理论预测。

  在一些试验过程中,他和他的同事们还将尝试将中子添加到现有的超重元素中,并生成更长寿命的版本。 Nazarewicz,对制造新元素持怀疑态度,看到了它的价值。 “我希望我们变得更稳定,”他说。修补现有元素甚至可以让科学家到达稳定岛 - 一个长寿超重元素的假定区域 - 并研究这些元素的属性。如果不出意外,用于制造新元素的技术可以帮助生产药物的放射性同位素和测试卫星部件如何抵抗粒子轰击。

  但最终,对新元素的追求是它自己的奖励 - “艺术倾向”艺术。 “增加质子的数量是一种威严,”卡尔波夫说,“达到极限是很自然的”,并试图超越。此外,他笑着说,他的moscovium翻领针闪闪发光,“有时候说你先做点什么就好了。”

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