突破元素周期表超重元素挑战理论的极限
突破元素周期表超重元素挑战理论的极限
科学家们正在探索元素周期表的极限，试图突破超重元素的理论边界。来自新西兰梅西大学、德国美因茨大学、法国索邦大学和美国密歇根州立大学等国际研究机构的科学家们，通过最新的实验和理论研究，正在重新定义元素周期表的边界。
图1：来自全球领先研究机构的科学家们正在通过探索超重元素和理论上的“稳定岛”来推进我们对元素周期表的理解。他们的研究发表在权威科学期刊上，旨在揭示拥有超过103个质子的元素的性质，并通过理论模型预测其行为。这项工作有望扩展元素周期表的边界，并对多个科学领域产生影响。
超重元素研究的最新进展
2024年3月31日，美国密歇根州立大学宣布，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）的科学家们，正在重新定义元素周期表的极限。他们的研究成果发表在2024年2月的《自然评论:物理学》杂志封面上。
参与此项研究的科学家来自多个国际研究机构，包括新西兰理论化学与物理中心、新西兰奥克兰梅西大学、德国美因茨的约翰内斯·古腾堡大学、德国达姆施塔特的GSI亥姆霍兹重离子研究中心有限公司、德国美因茨亥姆霍兹研究所、法国索邦大学、法国国家科学研究院、法国高等教育学院、法兰西学院共同运营的卡斯特勒·布罗塞尔实验室，以及美国密歇根州立大学。
除了《自然评论:物理学》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综述。该综述详细讨论了超重元素的原子结构理论进展，特别是其预测的电子基态构型，这对元素在元素周期表中的位置至关重要。
图3：Credit: Physics Reports (2023).DOI:10.1016/j.physrep.2023.09.004
寻找超重元素
什么是超重元素？质子数超过103个的原子核被标记为超重元素。这些元素是科学家们试图揭开的广阔未知领域的一部分。探索这一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限制下创造新的元素和核素。
超重核的生成速率极低。从这些实验中获得的物理和化学数据表明了与较轻元素和同位素的偏差。这使得科学家们可以质疑元素周期表和核素表的边界可以扩大多少。评估延长稳定半岛的存在也是一个科学目标，在那里，超重核的寿命可能超过目前发现的寿命极短的核。
超重元素的理论进展与未来
约翰·汉娜杰出物理学教授、稀有同位素束设施（FRIB）的首席科学家维特克·纳扎雷维奇表示：“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。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新局面。”
在FRIB，科学家们将研究如何到达更靠近增强稳定性区域的超重核。许多超重核目前无法测量，因此关于它们的信息必须来自理论推断。FRIB的核理论家利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的核景观将产生会影响核物理和原子物理、天体物理学和化学的新思想和方法。
本研究得到了多个机构的资助，包括休伯特·居里·杜蒙·居维尔计划新西兰-法国科技支援计划、新西兰皇家学会马斯登基金，以及美国能源部。