元素週期表的盡頭在哪裡？科學家「擠奶」原子揭開重元素之謎

元素週期表的終點究竟在何方？重元素又是如何產生的？這些問題一直困擾著科學界。最近，一個國際研究團隊在GSI/FAIR加速器設施和約翰內斯·古騰堡大學（JGU）進行了一系列實驗，試圖揭開這些謎團。他們的研究聚焦於鐨（元素100）的原子核，探討不同中子數對其結構的影響。這項研究結果已發表在《自然》期刊上，為核結構提供了新的見解。

實驗負責人塞巴斯蒂安·拉德（Sebastian Raeder）解釋道：「我們利用雷射技術研究了擁有100個質子和145至157個中子的鐨原子核，特別關注了量子力學效應對其原子核大小的影響。」這項研究由來自七個國家的27個研究機構共同參與，涵蓋了半衰期從幾秒到超過100天的鐨同位素。

研究團隊針對不同同位素採用了多種生產方法。短壽命的鐨同位素透過GSI/FAIR加速器設施的融合反應合成，而富含中子的長壽命同位素如255Fm和257Fm則是在高通量研究反應器中以微量（皮克級）生產。最初的輻照在美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的高通量同位素反應器（HFIR）中進行，產生了高達257Fm的同位素。隨後，美因茨大學的放射化學家從輻照混合物中分離出鄰近元素鑀（元素99），並在法國格勒諾布林的勞厄-朗之萬研究所（ILL）的高通量反應器中進行輻照，產生了半衰期為九個月的255Es，它持續衰變為半衰期僅20小時的255Fm。為了確保雷射光譜學的穩定供應，美因茨大學的放射化學家反覆提取255Fm，這一過程被他們戲稱為「擠鐨牛奶」。

ILL科學家、論文作者之一烏利·科斯特（Ulli Köster）指出：「這些元素的名字恰如其分地反映了它們的生產過程：愛因斯坦著名的E=mc²公式是核反應堆能量產生的基礎，而恩里科·費米則是第一個人造核反應堆的創造者，鐨是透過反應堆輻照直接獲得的最重元素。」

科斯特補充道：「這項研究展示了不同生產方法的協同效應：加速器最適合生產中子不足的同位素，而研究反應堆則最適合生產富含中子的同位素。將這類研究擴充套件到超重元素通常需要結合這兩種技術，即對反應堆生產的目標進行加速器輻照。」

研究團隊利用先進的雷射光譜技術，分析了原子結構的細微變化，從而獲得了有關核特性的資訊，例如核電荷半徑，即質子在原子核中的分佈。合適波長的雷射光將鐨原子中的電子提升到更高的軌道，然後將其完全從原子中移除，形成鐨離子，這一過程可以高效地檢測到。逐步離子形成過程所需的精確能量隨中子數的變化而變化。研究團隊測量了這種激發能量的微小變化，以獲取有關原子核電荷半徑變化的資訊。

研究結果顯示，鐨同位素的核電荷半徑在中子數152附近呈現出穩定且均勻的增加。實驗資料與國際合作夥伴使用現代理論核物理模型進行的各種計算進行了比較，從而解釋了潛在的物理效應。論文第一作者、當時在GSI和JGU攻讀博士學位的傑西卡·沃比內克（Jessica Warbinek）表示：「我們的實驗結果及其與現代理論方法的解釋表明，在鐨核中，核殼效應對核電荷半徑的影響減弱，而對這些核的結合能的影響則較強。結果證實了理論預測，即當核質量增加時，由少數個別中子和質子引起的區域性殼效應失去影響力；相反，歸因於所有核子整體的效應佔主導地位，核子更像是一個帶電的液滴。」

這項實驗方法的改進使得對重元素，特別是接近和超過中子數152的元素，進行更精確的雷射光譜研究成為可能。這些進展有助於更深入地理解重元素和超重元素的穩定化過程。具有完全填充核殼的核子，即所謂的魔數核子，表現出更高的穩定性，使其反應性降低。因此，這些核子具有更高的結合能和更長的壽命。