具有超过 103 个质子的化学元素的原子核被标记为“超重”。它们是科学家们试图揭开的这些原子核的广阔未知领域的一部分。探索这个未知领域为连接广泛科学领域的发现提供了前景。
来自全球领先机构的科学家正在通过探索超重元素和理论上的“稳定岛”来增进我们对元素周期表的理解。他们的研究在著名的科学出版物中得到了重点报道，旨在揭示具有超过 103 个质子的元素的特性，并通过理论模型预测它们的行为。这项工作有望扩大元素周期表的范围并影响一系列科学领域。
来自新西兰梅西大学、德国美因茨大学、法国索邦大学和稀有同位素束设施（FRIB）的科学家讨论了元素周期表的极限，并修订了“稳定岛”的概念超重元素研究进展。他们的工作是 2024 年 2 月《自然评论物理学》的封面专题。
除了《自然评论物理》专题外，《物理报告》还发表了一篇关于超重元素原子电子结构理论的评论。
寻找超重元素
什么是最重的束缚核和最重的束缚原子？它们的性质是什么？具有超过 103 个质子的化学元素的原子核被标记为“超重”。它们是科学家们试图揭开的这些原子核的广阔未知领域的一部分。探索这个未知领域为连接广泛科学领域的发现提供了前景。
新的实验设施正在建设中，以帮助科学家揭示原子及其原子核在大量电子、质子和中子的状态下的特性。这些设施将在原子序数和质量的极限下创造新的元素和核素。
研究图形。图片来源：《自然评论物理》2024 年 2 月，封面设计 Susanne Harris
超重核的产生率极低。从这些实验中获得的物理和化学数据表明与较轻元素和同位素存在偏差。这让科学家们质疑元素周期表和核素表的边界还能扩大多少。评估“扩展稳定性半岛”的存在也是一个科学目标，其中超重核的寿命可能超过迄今为止发现的非常短寿命的核。
超重元素的理论进展和未来
此外，原子结构理论的进展集中在超重元素及其预测的电子基态配置上，这对于元素在周期表中的位置很重要。
“由于存在巨大的静电力，超重原子中的电子以接近光速的速度运动，”该论文的作者之一、约翰·A·汉纳杰出物理学教授兼 FRIB 首席科学家 Witek Nazarewicz 说。 “此外，超重核中非常强的库仑力会产生新的效应。这是原子和核理论的一场新球赛。”
在 FRIB，科学家们将研究到达更靠近稳定性增强区域的超重核的方法。许多超重核目前无法测量，因此有关它们的信息必须来自理论外推。 FRIB 的核理论学家使用高性能计算和机器学习辅助的先进模型对超重核进行预测。
研究元素周期表和超重区域的核景观将产生影响核和原子物理学、天体物理学和化学的新思想和方法。
参考文献：
“对超重元素的探索和元素周期表的极限”作者：Odile R. Smits、Christoph E. Düllmann、Paul Indelicato、Witold Nazarewicz 和 Peter Schwerdtfeger，2023 年 12 月 11 日，《自然评论物理学》。
DOI：10.1038/s42254-023-00668-y
“突破元素周期表的极限——原子相对论电子结构理论和超重元素计算的回顾”，作者：O.R. Smits、P. Indelicato、W. Nazarewicz、M. Piibeleht 和 P. Schwerdtfeger，2023 年 10 月 13 日，物理报告。
DOI：10.1016/j.physrep.2023.09.004
本材料基于美国能源部、科学办公室、核物理办公室 (DOE-SC)、新西兰 Hubert Curien Dumont d’Urville 计划和新西兰皇家学会马斯登基金会支持的工作。
密歇根州立大学 (MSU) 运营着稀有同位素束设施 (FRIB)，作为美国能源部科学办公室 (DOE-SC) 的用户设施，支持 DOE-SC 核物理办公室的使命。用户设施的运行由 DOE-SC 核物理办公室作为 28 个 DOE-SC 用户设施之一提供支持。