119号与120号元素竞赛
要合成119号元素，你得先把一个靶核加热到1650度。然后拿6万亿个钛离子每秒——从一台回旋加速器里射出来——去轰它。轰22天。最终你会得到两个原子。每个原子活9毫秒。
这就是2024年秋天Jacklyn Gates和她伯克利实验室的同事们在《物理评论快报》上报告的事情[1]。他们没合成119号——他们合成了116号，鉝。但他们用的炮弹不是⁴⁸Ca。是整个超重元素历史中子弹最重的一次。
⁴⁸Ca是核物理的"魔数子弹"。它有20个质子和28个中子——两个都是幻数。这意味着它特别紧实，特别容易跟别的核熔合在一起。所有已知的超重元素，从114号到118号，都是用⁴⁸Ca轰击锕系靶核造出来的。21世纪最初20年的超重元素"丰收季节"——尤里·奥加涅相（Yuri Oganessian）领导的俄罗斯杜布纳联合研究所（JINR）团队在2000-2010年间合成了6个新元素——本质上是一个人的天才判断加上一把魔数子弹。
这把子弹打完了。
要做119号，你需要把50号元素（锡）或更高序数的原子核当炮弹。因为再重的靶核——锿（99号）和镄（100号）——无法以毫克级量产。你只能反其道：用更重的炮弹去打更轻的靶核。问题是，重炮弹跟靶核熔合的截面极小，小到飞靶（femtobarn, 10⁻³⁹ cm²）量级。⁴⁸Ca的典型截面是几个皮靶（10⁻³⁶ cm²）。换⁵⁰Ti，截面掉两个数量级以上。
Gates的实验就是为了证明这条路走得通。她用²⁴⁴Pu（94号钚）做靶，⁵⁰Ti（22号钛）做炮弹，合成了鉝-290。在22天的束流中，分离器只捕获到两个原子。截面是0.44皮靶，相当于10⁻³⁷ cm²——比⁴⁸Ca路线小了约两个量级。两个原子，总共活了不到20毫秒。但两条衰变链都干净利落：α衰变→自发裂变，信号特征无歧义。统计排除偶然符合的概率是万亿分之一。
伯克利这篇论文的真正读者不在美国。在俄罗斯杜布纳，在莫斯科东北的伏尔加河畔。
2025年，JINR弗廖罗夫核反应实验室（FLNR）的奥加涅相团队——这位已经92岁的科学家仍担任FLNR科学总监——给出了决定性的对比数据[2]。他们在SHE工厂（超重元素工厂）的DGFRS-2气体填充分离器上，用同一台DC-280回旋加速器，在两个不同的反应道上做了直接比较。
一个反应是²⁴²Pu + ⁵⁰Ti，另一个是²³⁸U + ⁵⁴Cr。两者都生成同一个复合核——²⁹²Lv。激发能都控制在约41 MeV。结果是：⁵⁰Ti的截面是540飞靶。⁵⁴Cr的截面是36飞靶。差了15倍。
这个结论改变了竞赛格局。它意味着如果用⁵⁰Ti做炮弹，每收集一个超重原子需要的束流时间大约是用⁵⁴Cr的十五分之一。在截面本已极低的飞靶世界，这15倍就是天文台和流水线的差别。
JINR的实验从数据中挖出了好几个新核素。²⁸⁸Lv：α能量11.08 MeV，半衰期2.0毫秒。²⁸⁹Lv：α能量10.91 MeV，半衰期12毫秒。²⁸⁰Cn：自发裂变，半衰期约10微秒。还有一个此前只被看到过一次的衰变分支——²⁸⁴Fl的α衰变被首次观测到（α能量10.57 MeV，分支比24%）——以及²⁸¹Cn的9%自发裂变分支和²⁶⁹Sg的13%自发裂变分支。JINR实际上在做实验的过程中，把已知超重核素图拓展了一圈。
四条战线目前齐头并进。
第一条是JINR自己。他们明确宣布：⁵⁰Ti是通往119和120的最优炮弹。SHE工厂的下一步是⁵⁰Ti + ²⁴⁹Bk（锫）→ 119号，以及⁵⁰Ti + ²⁴⁹Cf（锎）→ 120号。但这里有一道政治阴影：²⁴⁹Bk和²⁴⁹Cf都只能由美国橡树岭国家实验室（ORNL）生产。俄罗斯在2022年后受到制裁，ORNL的材料出口通道已断。JINR的PAC NP-62会议报告里写着"SHE工厂大厅正升级为I类放射工作区以处理²⁴³Am、²⁴⁸Cm、²⁴⁹Bk、²⁴⁹Cf靶材料"——措辞暗示了俄方在寻找自主靶材路线，但这需要时间。JINR的实验可能要到2028年以后才能启动。
第二条是伯克利。Gates团队的路径更直接。他们已经在2025年末拿到了ORNL运来的大约45毫克²⁴⁹Cf——靶的问题解决了。路线是⁵⁰Ti + ²⁴⁹Cf → 120号。注意：伯克利跳过119号，直扑120号。技术原因是119号的靶核²⁴⁹Bk（半衰期330天，⁵⁰Ti轰击窗口极窄）比²⁴⁹Cf（半衰期351年）难处理得多。战略原因也明显：119号的三条路线已有两家在跑，不如把资源砸在没人涉足的120号上。Gates在《化学世界》2025年的采访中估计：做120号比做116号难10倍。以两个月一个原子的速度，需要更长的束流时间。但LBNL的88英寸回旋加速器已经证明了6万亿离子每秒的束流强度是可维持的。
第三条是日本理研（RIKEN）。RIKEN在2004年合成了113号元素（鉨，Nihonium）——迄今唯一由亚洲机构发现的元素。他们的119号路线是用⁵¹V（23号钒）+ ²⁴⁸Cm（96号锔）。2022年到2024年间，RIKEN运行了428天的束流实验。零事件。零。他们计算出截面上限是4.85飞靶[3]——比JINR测得的⁵⁰Ti截面小两个量级。理研最近升级了SC-ECRIS离子源和SRILAC超导直线加速器，束流强度提高了5倍。他们还在追，但⁵¹V的不利截面已经让他们处在外围。
第四条是中国科学院近代物理研究所（IMP）在兰州。中国的路线是⁵⁴Cr + ²⁴³Am（镅，95号）→ 119号[4]。CAFE2——中国超重元素专用加速器——从2022年运行至今已经稳定工作超过10000小时。2023年11月他们用它合成了115号（镆）作为验证。2026年3月，IMP团队在CAFE2上合成了新核素锫-235（²³⁵Bk）和镅-231（²³¹Am），发表在《物理快报B》[5]。这是超重核合成能力的一次实弹演练。
HIAF——强流重离子加速器装置，在广东惠州——预计2026年验收。HIAF的束流强度比CAFE2高一个层次。正式合成119号的实验应该在HIAF验收后开始。中科院近物所的李亮和郭璐在《物理评论C》上发表了用含时Hartree-Fock理论（TDHF）研究⁵⁴Cr + ²⁴³Am体系中准裂变动力学的工作[6]——揭示了壳效应对反应机制的复杂影响，直接为实验选择最佳轰击能量提供了理论指导。
四条战线。四种炮弹。一个目标。谁先看到第一个信号取决于三个变量：谁先拿到合适的靶材料，谁有最长的可用束流时间，谁的截面算得最准。
说到截面计算——这就是理论家在2025-2026年做的事。
中山大学中法核工程与技术学院的方越平和朱龙——这个方向最活跃的理论组——在2026年6月被《中国物理C》接受的文章中[7]，把"融合-扩散"概念第一次系统性地从⁴⁸Ca外推到了⁵⁰Ti和⁵⁴Cr。他们的核心发现简单得令人安心：联系距离D_cont和激发能E_c.m.-B₀之间有一个线性关系——D_cont = 2.435 fm - 0.0618 × (E_c.m.-B₀) fm/MeV——这个关系从⁴⁸Ca到⁵⁴Cr竟然不需要任何修正。也就是说，没有任何系统偏差。⁴⁸Ca的成功经验可以直接推到更重的弹核，前提是你知道其中的缩放规律。
截面的大小直接告诉你需要多少束流时间。朱龙和方越平预测的119号最优反应——⁵⁰Ti + ²⁴⁹Bk——的蒸发残余截面在3n道大约是35飞靶。120号——⁵⁰Ti + ²⁴⁹Cf——大约是20飞靶。⁵⁴Cr + ²⁴⁸Cm → 120号则只有5飞靶。Liu、Li和He等人独立用DNS模型给出的预测是⁵⁰Ti + ²⁴⁹Cf约6.6飞靶，⁴⁵Sc + ²⁴⁹Cf约49飞靶（前者指向120号，后者指向119号）[8]。郑州大学的张春雨和王兵等人在《物理评论C》2025年7月发表了⁵⁰Ti诱导融合反应的系统DNS计算[9]，系统复现了已知热融合数据，并给出了带不确定度的截面预测。
所有理论组都同意一个判断：⁵⁰Ti是通向119和120号的最佳炮弹。⁵⁴Cr差一个量级。⁵¹V更差。
但这些预测都面临同一个物理暗礁：准裂变。
澳大利亚国立大学的Bezzina、Simpson、Hinde和Dasgupta在2025年《核物理A》上发表了一篇令人警醒的文章[10]。他们用从¹⁶O到¹²⁴Sn的7种炮弹去轰同一个靶，生成²²⁰Th。他们发现蒸发残余截面随入道电荷乘积Z_p×Z_t指数地衰减——衰减的速率比任何已知模型预测的都快。原因是一种叫"慢准裂变"的机制：两个正在熔合的核还没完全熔合成一个复合核，就在漫长的接触过程中分了家——没有质量-角度的相关性，所以传统上被误认为"成功了但后来裂了"，实际上是"根本没熔上"。Bezzina等人的核心断言是：在高Z_p×Z_t的体系中，熔合概率P_CN不是1——远远不是——而人类目前对P_CN的理论计算，误差可能超过一个量级。
这意味着所有截面的理论预测都可能偏乐观。如果P_CN比你算的小5倍，你需要多5倍束流时间。在一个已经要花两年才能看到一个原子的实验里，这意味着从"可能做到"到"做不到"。
除了准裂变，还有一个同等危险的瓶颈：存活概率W_sur。超重复合核一形成就处在高激发态，要蒸发出2-3个中子才能冷却到一个相对稳定的基态。但在每一个蒸发步骤里，复合核也有可能在冷却到足够稳定之前就裂了——退激裂变。2025年12月《物理评论C》上的一篇方法论论文用KEWPIE2代码对5组能级密度参数做了系统测试[11]，结论是：对于Z<100的核，存活概率计算在30%精度内可靠；对于超重核（Z>110），"只有粗略估计"。
两个根本不确定性叠在一起：熔合概率不确定，存活概率也不确定。总截面=熔合概率×存活概率×俘获概率。三项中有两项算不准。这就是为什么不同理论组对同一反应给出的截面差一个数量级。
但这不是悲观的时候。这是行动的时候。
因为不管截面多小，如果你不打，是一定没有的。而如果你打了——即使只有飞靶的量级——现代气体填充分离器加上反冲核探测器能把本底压到几乎为零。一个原子就够了。不是玩笑。现代超重元素实验中，一个清晰的α衰变链——连续三到四个α事件之间时空关联——假信号概率低于10⁻¹⁶。一个原子就是一条新元素。
稳定岛——那个幻数大约Z=120、N=184的球形双幻闭壳——是否存在，近二十年积累的信号倾向于"是"。Z=108（𬭶）处的形变幻数N=162被确认。Z=114（鈇）的同位素随着中子数增加，半衰期呈明显上升趋势。Z=117（鿬）已经达到了毫秒到秒级的寿命。"我们站在岛的西南岸沙滩上，潮水在退，前面就是陆地"——这是一位JINR博士后私下说的话。
方越平他们论文里的表格列出了各种候选反应、各种能量窗口下的截面预测。给实验家的信息很清楚：选⁵⁰Ti。靶材料尽量在Z=97以上。能量窗口大约在激发能37-41 MeV。期望截面在10-100飞靶之间。准备好两年以上的束流时间。
第一条到达终点的线可能是伯克利，因为靶材到手最早。可能是JINR，因为SHE工厂的DC-280回旋加速器的束流强度全球无敌（比伯克利88英寸Cyclotron的连续⁵⁰Ti流强高约一个量级）。也可能是一匹黑马——如果HIAF在2026年验收后迅速转入运行状态，兰州的话事权胜过杜布纳或伯克利的一个天然优势是：中国有自主的²⁴³Am供应渠道（核废料分离产物），不需要等待ORNL的出口许可。
119号和120号之间，119号可能先被合成。Z=119的靶核²⁴³Am或²⁴⁹Bk在辐照稳定性上和²⁴⁹Cf有一些困难——但它的截面预测整体高出120号一个因子3到5。Z=120号的靶核虽然更稳定（²⁴⁹Cf半衰期351年），但截面极小。这是一个时间换概率的交换。
赌注是什么？不是GPS、不是量子计算机、不是清洁能源。是周期表的第八周期。是确认"我们至少理解原子核为什么能存在"——还是发现"在超出预期的某个地方它们不能存在了"。一个化学元素的发现权不仅是科学史上的一行字，它代表一个国家有能力操控地球上最稀有的物质、在最低截面下精确测量，并拥有理论体系来指导每一步的行动。
而在2026年这三个月窗口里，世界上没有人在测量119号。束流线在调试，靶在备制，论文在审。但每个团队都知道：谁先看到第一条α链，谁的名字就刻进周期表。
---
参考文献
[1] J.M. Gates, R. Orford, D. Rudolph, K. Gregorich, M.A. Garcia, J. Pore, H.L. Crawford, P. Fallon, R.M. Clark, J. Wu, K. Moody, R. Henderson, C. Griswold, J. Despotopulos, B. Wang, C. Campbell, R. Hughes, N. Esker, T.T. King, S. Zhu, Z. Liu, Y. Wang, Y. Qiang (Lawrence Berkeley National Laboratory, USA; Oak Ridge National Laboratory; Lund University; et al.). "Toward the Discovery of New Elements: Production of Livermorium (Z=116) with ⁵⁰Ti." *Physical Review Letters* 133, 172502 (2024).
[2] Yu.Ts. Oganessian, V.K. Utyonkov, F.Sh. Abdullin, S.N. Dmitriev, M.G. Itkis, A.N. Polyakov, R.N. Sagaidak, I.V. Shirokovsky, Yu.S. Tsyganov, A.A. Voinov, G.G. Gulbekian, S.L. Bogomolov, N.V. Aksenov, N.D. Kovrizhnykh, E.V. Chernysheva, O.V. Petrushkin, G.K. Vostokin, A.V. Sabel'nikov (Flerov Laboratory of Nuclear Reactions, JINR, Dubna, Russia). "Investigation of reactions with ⁵⁰Ti and ⁵⁴Cr for the synthesis of new elements." *Physical Review C* 112, 014603 (2025).
[3] K. Morimoto, K. Morita (RIKEN Nishina Center, Wako, Japan). "Status of the search for element 119 at RIKEN." RIKEN Accelerator Progress Report (2025). 428-day bombardment with ⁵¹V + ²⁴⁸Cm; upper limit 4.85 fb.
[4] 中国科学院近代物理研究所 (IMP, CAS, Lanzhou). "中国超重元素合成计划：⁵⁴Cr + ²⁴³Am → 119号." CAFE2加速器验证报告 (2023-2026). 中国原子能科学研究院 (CIAE) 合作测量库仑势垒: 234.66 ± 0.45 MeV.
[5] L. Li, L. Guo, Z.G. Gan, H.B. Yang, H. Zhang, Z.Y. Zhang, M.H. Huang, et al. (Institute of Modern Physics, CAS, Lanzhou). "First synthesis of ²³⁵Bk and its α-decay daughter ²³¹Am." *Physics Letters B* (2026).
[6] L. Li, L. Guo (Institute of Modern Physics, CAS, Lanzhou). "Quasifission dynamics in the ⁵⁴Cr + ²⁴³Am reaction studied with time-dependent Hartree-Fock theory." *Physical Review C* (2025). 准裂变壳效应机制研究.
[7] Y.P. Fang, L. Zhu (Sino-French Institute of Nuclear Engineering and Technology, Sun Yat-sen University, Zhuhai, China). "Synthesis of the superheavy elements beyond Og: extrapolating from ⁴⁸Ca to ⁵⁰Ti and ⁵⁴Cr." *Chinese Physics C* (accepted, 2026); ChinaXiv:202512.00007 (2025). 融合-扩散模型在质量不对称自由度上的首次应用; D_cont线性关系从⁴⁸Ca到⁵⁴Cr无系统偏差.
[8] H.Y. Liu, J.J. Li, Q.F. Li, X.T. He (Nanjing University of Aeronautics and Astronautics / Huzhou University, China). "Systematic study on fusion evaporation reactions induced by ⁴⁸Ca–⁵⁵Mn projectiles." ChinaXiv:202512.00104 (2025). 最佳Z=119候选: ⁴⁵Sc + ²⁴⁹Cf (49 fb); 最佳Z=120候选: ⁵⁰Ti + ²⁴⁹Cf (6.6 fb).
[9] C.Y. Zhang, B. Wang, et al. (Zhengzhou University, China). "Evaporation-residue cross sections of superheavy nuclei from ⁵⁰Ti-induced fusion reactions based on the dinuclear-system model." *Physical Review C* 112, 014623 (2025). DNS+ECC+统计模型系统复现热融合数据.
[10] L.T. Bezzina, E.C. Simpson, D.J. Hinde, M. Dasgupta (Australian National University, Canberra / ETH Zurich, Switzerland). "Observation of suppression of heavy-ion fusion by slow quasifission." *Nuclear Physics A* 1063, 123198 (2025). ER截面随Z_p×Z_t指数衰减; 慢准裂变主导高Z_p×Z_t体系的熔合压制.
[11] "Testing the reliability of the method for calculating the survival probability in superheavy nuclei." *Physical Review C* 112, 064612 (2025). KEWPIE2代码系统测试5组能级密度参数; Z>110仅粗略估计.
[12] Y.P. Fang, L. Zhu. "Bayesian uncertainty quantification for synthesizing superheavy elements." arXiv:2405.02839 (2024). 首次用贝叶斯推断约束DNS模型参数; a = 0.586 fm, E_d = 25.65 MeV, a_f/a_n = 1.081.
[13] G.G. Adamian, N.V. Antonenko (Bogoliubov Laboratory of Theoretical Physics, JINR, Dubna). "New perspectives for cold and hot fusion reactions toward superheavy elements." INPC 2025 Conference, May 2025. 综述冷热融合反应的最优组合与蒸发残余截面预测.
[14] S. Hofmann (GSI Helmholtz Center, Darmstadt, Germany) & Yu.Ts. Oganessian (JINR). "Decay spectroscopy of heavy and superheavy nuclei." *Progress in Particle and Nuclear Physics* (2025/2026). 从Z=99到Z=118的衰变谱学系统综述.
[15] M.H. Huang, Z.G. Gan, et al. (Institute of Modern Physics, CAS, Lanzhou). "Production of superheavy nuclei in the ⁴⁸Ca, ⁵⁰Ti, ⁵¹V and ⁵⁴Cr induced reactions with the Skyrme energy-density functional approach." ChinaXiv:202512.00265 (2025). Skyrme EDF系统计算4种炮弹的超重核产额.
[16] L. Guo, C. Li, et al. (Institute of Modern Physics, CAS, Lanzhou). "Chinese Researchers Unravel Quasifission Dynamics to Boost Superheavy Element Synthesis." *Energy Innovation Review* (March 2026). IMP团队准裂变动力学突破; 壳效应对准裂变的多重影响机制.