科学家揭开了有史以来最重镆元素的秘密

诸平

Fig. 1 Moscovium and nihonium have been identified as more reactive than flerovium, demonstrating the significance of relativistic effects in superheavy elements.

Fig. 2 The detector array with the quartz-coated detectors is located between the two visible circuit boards. Additional detectors surround the channel. Credit: A. Yakushev

Fig. 3 The height of the bars of the highlighted elements represents the strength of the bonding on a quartz surface. Credit: A. Yakushev/Ch.E. Düllmann

Fig. 4 Dr. Alexander Yakushev, spokesperson of the experiment (right) and Dominik Dietzel, PhD student from Johannes Gutenberg Mainz University, work on the detector channel used to register the short-lived nihonium and moscovium atoms. Credit: G. Otto, GSI/FAIR

据德国亥姆霍兹重离子研究中心（GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research）2024年11月20日提供的消息，元素周期表变得越来越疯狂：科学家揭开了有史以来最重元素镆元素的秘密（The Periodic Table Just Got Wilder: Scientists Unveil the Secrets of the Heaviest Element Ever – Moscovium）。

对镆（moscovium, Mc，115号化学元素）和鉨（nihonium，Nh, 113号化学元素）的研究表明，它们比鈇（flerovium，Fl，114号化学元素）更具活性，并受到显著的相对论效应的影响，从而扩大了我们对超重元素及其潜在用途的认识。

由德国达姆施塔特GSI/FAIR、美因茨约翰内斯古腾堡大学（Johannes Gutenberg University Mainz）和美因茨亥姆霍兹研究所（Helmholtz Institute Mainz）的科学家领导的一个国际团队，成功地确定了人工制造的超重元素镆（Mc, 115号元素）和鉨(Nh, 113号元素)的化学性质。

镆（Mc, 115号元素）是目前化学研究中最重的元素。他们发表在《化学前沿》(Frontiers in Chemistry)杂志上的研究表明，这两种元素的化学反应性都比之前在GSI/FAIR研究过的鈇（Fl, 114号元素）强。原文详见：A. Yakushev, J. Khuyagbaatar, Ch. E. Düllmann, M. Block, R. A. Cantemir, D. M. Cox, D. Dietzel, F. Giacoppo, Y. Hrabar, M. Iliaš, E. Jäger, J. Krier, D. Krupp, N. Kurz, L. Lens, S. Löchner, Ch. Mokry, P. Mošať, V. Pershina, S. Raeder, D. Rudolph, J. Runke, L. G. Sarmiento, B. Schausten, U. Scherer, P. Thörle-Pospiech, N. Trautmann, M. Wegrzecki, P. Wieczorek. Manifestation of relativistic effects in the chemical properties of nihonium and moscovium revealed by gas chromatography studies. Frontiers in Chemistry, 2024, 12: 1474820. DOI: 10.3389/fchem.2024.1474820. publishing date: 6 September 2024. 

参与此项研究的有来自德国达姆施塔特的德国重离子研究中心亥姆霍兹重离子研究中心（GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt, Germany）、德国美因茨亥姆霍兹研究所（Helmholtz-Institut Mainz, Mainz, Germany）、德国美因茨约翰内斯•古登堡大学（Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Mainz, Germany）、瑞典隆德大学（Lund University, Lund, Sweden）、德国曼海姆大学（Hochschule Mannheim, Mannheim, Germany）以及波兰华沙联合国环境规划署（Łukasiewicz - Instytut Mikroelektroniki i Fotoniki, Warsaw, Poland）的研究人员。

探索化学中的相对论效应(Exploring Relativistic Effects in Chemistry)

有了这个结果，GSI/FAIR的实验现在提供了三种超重元素原子序数分别为113、114和115的数据，从而可以对它们的性质进行可靠的分类，并对这个极端区域的元素周期表结构进行评估。

随着元素变得越来越重，原子核中的许多质子加速了围绕核心旋转的电子，使其速度越来越快，以至于只能用爱因斯坦著名的相对论来解释。纯粹的速度使电子更重。

例如，在铅（Pb, 82号元素）中，这种过程的影响已经在起作用，并有助于铅电池中的化学过程。相邻的铊(thallium, Tl) 和铋(bismuth, Bi)表现不同。这种影响虽然很小，但仅限于铅。超重元素能成为铅的替代物吗？

那么元素周期表中较重的邻居，第114号元素（Fl），在最近20年才被发现并进行化学研究的鈇元素呢？人们发现它与铅完全不同，并非以前预言的类铅元素，很容易转化为气体，而且化学反应性较弱。

为了找到答案，两种相邻元素，鉨(Nh, 113号元素) 和镆（Mc, 115号元素）也需要进行测试。虽然对鉨(Nh)的化学性质已经有了初步的了解，但迄今为止还没有对镆（Mc）的化学性质进行过成功的研究，因为最合适的同位素只存在大约百分之二十秒。

超重元素合成研究进展（Achievements in Superheavy Element Synthesis）

这一壮举现在已经在德国达姆施塔特的德国重离子研究中心亥姆霍兹重离子研究中心（GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt, Germany）的国际合作中实现。研究小组报告说，这两个邻居，鉨(Nh, 113号元素) 和镆（Mc, 115号元素），表现出比中间体鈇（Fl，第114号元素）更高的化学反应活性。因此，在铅中看到的局部效应也出现在鈇（Fl）中，然而，更为强烈，考虑到更高的核电荷，这并不奇怪。

先进的实验技术揭示新的见解(Advanced Experimental Techniques Reveal New Insights)

惰性气体(Inert gas)使这两种元素通过覆盖着薄石英层的探测器阵列。探测器记录了单个超重原子的衰变，并确定这些原子是否与石英形成化学键，化学键的强度是否足以将它们固定在第一次接触表面的地方。较弱的结合导致惰性气体进一步输送。

通过这种方式，在探测器阵列中记录的模式提供了化学键强度的信息，从而提供了元素的化学反应性。低反应性的元素甚至可以离开阵列，但只能遇到金覆盖的探测器。与金的化学键通常比与石英的化学键更强，从而确保每个被研究的原子确实被保留和记录下来。

国际合作的发言人，GSI/FAIR的Alexander Yakushev博士解释说：“由于新开发的化学分离和检测装置与电磁分离器TASCA相结合，我们的气相色谱研究可以扩展到更活跃的化学元素，如鉨(Nh, 113号元素) 和镆（Mc, 115号元素）。我们已经成功地提高了效率，缩短了化学分离所需的时间，以至于我们能够观察到寿命很短的镆-288，并且以更大的速度每周大约探测到两个它的子原子鉨-284。”

总共有4个镆原子被记录下来，都在石英覆盖的阵列中。在检测到的14个鉨原子中，大部分沉积在石英上，这表明形成了化学键。一个原子到达了金覆盖的阵列，表明石英键不是很牢固。这与较轻的同族物铊（Tl，相对于鉨）和铋（Bi, 相对于镆）的行为形成对比，后者都已知与石英形成牢固的键。类似地，铅与鈇（Fl）是同族元素，铅与石英形成牢固的键，而鈇则没有。

这些元素的完整数据集表明，超重元素的反应性比它们较轻的同族元素要小得多，这归因于与相对论效应发生有关的惰性。最明显的影响出现在局部的鈇（Fl）上，它仍然是一种金属，但反应非常弱，这种行为表明存在闭合电子（亚）层，几乎与非反应性惰性气体一样。结果证明了爱因斯坦的相对论对元素周期表的影响，同时也创造了化学研究中最重元素的新记录。

随着技术的进步，对材料提出了新的要求。新元素会起作用吗？就像汽车从化石燃料转变为电力驱动一样，我们日常生活中的其他物品也逐渐淘汰，被基于新材料的技术所取代。第一款基于鈇（Fl）的设备尚未问世。目前每周只能产生一个持续时间不到一秒的原子。随着技术的进步，这种情况可能会改变，最终可以获得更大的数量。

它们是否会在未来的电池中发挥作用，作为医疗试剂，或者以今天难以想象的方式丰富我们的生活，我们不得而知。但由于德国达姆施塔特的开创性实验，未来的研究人员将有一个良好的开端，并且已经知道了这些新材料的化学特性。这一结果也为目前正在达姆施塔特建设的国际反质子和离子研究设施（Facility for Antiproton and Ion Research 简称FAIR）开辟了新的前景。

本研究得到了德国联邦教育与研究部{ German BMBF (project 05P21UMFN2)}、瑞典研究理事会{Swedish Research Council (Vetenskapsrådet, VR 2016-3969)}和克努特和爱丽丝·瓦伦堡基金会{ Knut and Alice Wallenberg Foundation (KAW 2015.0021)}的资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract