超重元素合成
2016年11月30日，IUPAC宣布了四个新元素的名字：113号鿭（Nihonium）、115号镆（Moscovium）、117号鿬（Tennessine）、118号鿫（Oganesson）。元素周期表的第七周期填满了。从1号氢到118号鿫，118个格子全部落了座。
但如果你以为元素周期表的故事到此为止，那就错了。第七周期填满的那天，第八周期的竞赛已经开始了。全球三个实验室——日本RIKEN、俄罗斯Dubna、中国兰州——正在争抢同一个目标：119号元素。还有人盯着120号。再远一点，理论物理学家画了一张地图，说在更远的地方有一座"稳定岛"——那里的超重核可能活几分钟甚至几天，而不是毫秒。
问题是：怎么过去？
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先说清楚什么是超重元素。原子序数超过103的元素叫超重元素。103号是铹（Lawrencium），是最后一个能在常规化学实验中拿着研究的元素。104号以后，元素衰变得太快，半衰期从秒级降到毫秒级甚至微秒级，你来不及把它收集起来，它就没了。
超重元素不在地球上自然存在。它们只能在实验室里用粒子加速器人工制造。原理很简单：把一种原子核加速到接近光速，撞进另一种原子核里，如果运气好，两个核会熔合成一个更大的核，质子数等于两者之和。听起来像把两辆汽车高速对撞，指望它们撞出一辆更大的卡车——概率极低，但确实可能。
这个概率有多低？合成118号鿫的实验里，每大约10的18次方次碰撞才成功一次。换句话说，你轰击两周，可能只产出一个鿫原子。而且这个原子只存在不到1毫秒就衰变了。你需要的不是一个原子，而是一系列连锁衰变信号来证明它确实存在过。
所以超重元素合成不是化学反应，而是核反应。产物不是一堆可以装进瓶子的物质，而是几个孤零零的衰变链信号，被精密探测器捕捉到，然后物理学家对着信号争论好几年：这是真的还是噪声？直到至少两个独立实验室给出相同的结果，IUPAC才承认。
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合成超重元素的方法分两种：冷熔合和热熔合。名字起得有点误导——"冷"和"热"不是温度，而是复合核的激发能。
冷熔合用的弹核比较轻，靶核是双幻数的铅-208或铋-209。两个核碰撞后形成的复合核激发能比较低，大约10-15 MeV，只需要蒸发1-2个中子就能退激发到基态。好处是退激发的存活概率高，坏处是产物偏向缺中子一侧——质子多了但中子不够，离稳定岛更远。104到113号元素全是用冷熔合做的。113号鿭就是日本RIKEN用锌-70轰击铋-209，经过7年持续实验，总共观测到3个原子才确认的。
热熔合用的弹核是钙-48，靶核是锕系元素。钙-48本身也是双幻数核（20质子+28中子），但靶核很重。碰撞后复合核的激发能高达30-40 MeV，需要蒸发3-4个甚至5个中子。存活概率更低，但产物偏向丰中子一侧——离稳定岛更近。114到118号元素全是用热熔合做的，全部由俄罗斯Dubna的弗列罗夫实验室完成。
但热熔合到了119号遇到了一个硬障碍：钙-48最多只能到118号。要合成119号，你需要用钙-48轰击锿-99——但锿-99的半衰期只有20天，全球库存只有微克级，根本做不了靶。120号更难，需要钙-48轰击镄-100，镄的半衰期更短，库存更少。
这就是为什么119号和120号迟迟没有合成。不是不想做，是缺子弹。
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三条路同时在走。
第一条：日本RIKEN的冷熔合路线。他们用钒-51轰击锔-248来合成119号。钒比钙重，质子数从20增加到23，加上锔的96，正好119。但这是冷熔合——复合核缺中子，产物离稳定岛远。2022年，RIKEN完成了加速器升级，新建了超导直线加速器SRILAC，束流强度提高了几倍。2025年8月，RIKEN的Morita团队在国际核物理大会上报告了119号元素搜索的最新进展——还在搜索中，尚未成功。他们需要更多的束流时间，更长的运行周期，也许还需要运气。
第二条：俄罗斯Dubna的热熔合路线。Dubna在2019年建成了"超重元素工厂"——一台新的DC-280回旋加速器，设计束流强度是旧装置的10倍以上。他们的策略是用更重的弹核来替代钙-48：钛-50轰击锎-249搜119，铬-54轰击铀-238搜120。2023年，DC-280用钙-48轰击镅-243复现了115号镆的合成，验证了新装置的灵敏度。但119和120还没找到。2024年，Dubna宣称用铬-54轰击铀-238观测到了𫟷-288的新同位素——这是迈向120号的一步，但结果尚未经过同行评审发表。
第三条：中国的路线。中科院近物所的方案最独特——用钒-51轰击镅-243来合成119号。这跟RIKEN的弹核一样，但靶核不同。中国选镅而不是锔，是因为镅更易获取。2022年，近物所完成了中国超重元素研究加速器装置CAFE2的改造，实现了24小时自动运行。2024年4月，近物所所长孙志宇公开宣布："我们正在加紧开展119号元素的合成研究攻关。"2025年6月，中国甘肃网的报道引用研究人员的话："近几年，我们一直致力于制造出第119号元素。"他们在2023年11月已经成功验证了115号镆的合成——证明装置和方法是可行的。
三组人用的是不同的反应道，不同的实验装置，不同的策略。谁先成功，谁就为第八周期拿到第一个格子的命名权。
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但合成只是问题的一半。另一个问题是：合出来的东西到底算不算"新元素"？
IUPAC的定义很清楚：新元素必须被实验确认。确认标准不是观测到一两个衰变链就够了——你需要证明衰变链的特征能量和时序与已知核素不同，而且最好能关联到已知的衰变路径上。113号鿭的发现花了9年（2004到2012），就是因为在早期只观测到2个原子，IUPAC认为证据不足。直到2012年观测到第3个衰变链，确认其衰变到已知的铹-258，才被承认。
119号元素也会面临同样的审查。而且更难——因为119号的产物会衰变到谁，理论上不确定。如果衰变到未知的核素，你就无法用关联法来确认，必须完全依赖能量谱的特征来论证。这意味着你可能需要更多的统计量，而每个原子的合成都需要数周的束流时间。
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119号和120号难在哪里？难在截面太小。
核反应截面衡量的是"碰撞多大概率产生目标产物"。截面用靶恩（barn）来衡量，1靶恩=10⁻²⁸平方米。冷熔合合成113号的截面大约是30飞靶恩（3×10⁻³⁵平方米），热熔合合成118号大约是0.5飞靶恩（5×10⁻³⁷平方米）。
119号的预期截面更小。理论计算给出的数字在10到100飞靶恩之间，取决于你用哪个模型。但这不是最头疼的——更头疼的是准裂变。
两个重核碰撞时，最可能发生的事情不是熔合，而是准裂变——两个核短暂粘在一起，还没来得及形成真正的复合核就重新分开了。越重的系统，准裂变的概率越大。钙-48加锎-249的准裂变抑制还可以，但钛-50加锎-249就更难了，因为钛比钙重，碰撞系统更不对称，准裂变的竞争更激烈。
2024年5月，一篇arXiv论文用五种核质量模型系统计算了119和120号的合成截面，结论是：在最优束流能量下，119号的截面可能在30-80飞靶恩，120号可能在5-20飞靶恩。但这些数字对模型参数非常敏感——换一个质量模型，截面可能差一个数量级。2024年8月，巴西的研究团队在Brazilian Journal of Physics上发表了类似计算，分析了为什么多次尝试119和120号都失败了——关键原因是准裂变和复合核裂变的竞争太强，留给蒸发残存的窗口太窄。
2024年10月，APS Physics报道了一个重要进展：劳伦斯伯克利国家实验室首次用非双幻数弹核钛-50轰击钚靶，成功合成了𫟷-290（Z=116）。这是第一次证明：不用钙-48也能合成Z≥107的超重元素。虽然只观测到2个原子，但它打开了一条新路线——钛-50可以被用于更重的系统，而不依赖那些半衰期极短、库存极少的锿和镄靶。2024年12月，中国理论团队在Chinese Physics C上发表了用双核系统模型计算Z>20弹核合成119号的可行性，发现钒-51轰击镅-243在3n蒸发道可能给出最优截面。
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所有这些努力背后有一个共同的驱动力：稳定岛。
1960年代末，理论物理学家预测，在远超已知核的区域，可能存在一个超重核特别稳定的地带。原因是量子力学里的壳效应——就像2、8、18这些"幻数"让惰性气体特别稳定一样，更高的幻数也可能让某些超重核比邻近的核活得更久。
传统预测是质子幻数Z=114，中子幻数N=184。双幻数核²⁹⁸Fl（114个质子+184个中子）被认为是稳定岛的中心。但近二十年的理论计算一直在争论：Z的幻数到底是114还是120还是126？不同模型给出不同答案。
宏观-微观模型（如WS4、FRDM）倾向于Z=114。相对论平均场模型倾向于Z=120，有时候Z=126。自洽的Skyrme-Hartree-Fock计算则取决于你用哪组参数化——有的给Z=114，有的给Z=120。关键原因在于超重核的密度分布中心可能出现凹陷——质子密度在核的中心下降，形成一个"泡泡核"。这种凹陷改变了能级间距，从而改变了幻数的位置。相对论模型更容易产生这种中心凹陷，所以更倾向于Z=120。
但所有模型都同意一件事：中子幻数是N=184。差别只在质子端。
2024年9月，一篇发表在Nuclear Science and Techniques上的论文计算了用放射性核束轰击超重靶来直接到达稳定岛中心的可行性。结论是：理论上可能，但当前放射性核束的强度远远不够。2025年1月，Nuclear Physics A发表了Z=106、114、120、126同位素链和N=162、172、184同中子链的系统研究，给出了超重核基态性质和可能的泡泡核结构。
现实是：我们目前合成的最重核，中子数最多到177（鿫-294），离N=184还差7个中子。这7个中子的差距，可能就是毫秒和分钟的差距。
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稳定岛是否存在？实验已经给出了一些证据。
2012年，GSI的SHIP实验在Science上发表了直接映射超重核壳效应的结果：随着中子数从162增加到177，铹、𬬻、𬭊同位素的半衰期显著增长。²⁵⁴Rf（N=150）的半衰期只有23微秒，而²⁶⁸Sg（N=162）达到了数十秒。²⁷⁸Fl（N=164）的半衰期约2.7秒。这跟壳效应的预言方向一致——中子数越大，越接近N=184的壳层，核越稳定。
但"更稳定"是相对的。目前已知的最长寿命超重核是²⁶⁹Hs（𬭶-269，Z=108，N=161），半衰期约9.7秒。离"分钟"甚至"天"还差得很远。稳定岛如果存在，它的中心可能不是传统预言的Z=114，N=184——也许需要更多的中子，甚至需要更多的质子。
还有一个问题：壳效应本身可能不足以对抗裂变。超重核的库仑排斥力极强，118个质子挤在一起，随时想炸开。壳效应提供了一些额外的结合，但在Z=118的区域，裂变势垒已经很薄了。如果壳效应不够强，核可能根本不存在足够长的时间让你测量它的化学性质。
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说到化学性质，这里有一个独立于核物理的精彩故事。
超重元素之所以让化学家兴奋，不是因为它们多了几个质子，而是因为相对论效应。当原子序数很大时，内层电子被巨大的核电荷加速到接近光速。速度越快，质量越大（狭义相对论），轨道收缩。s轨道和p₁/₂轨道收缩了，外层的d和f轨道则因为屏蔽效应反而膨胀。
结果是：这些超重元素的化学性质不再简单地遵循元素周期律。鿫（118号）在最外层电子结构上应该像惰性气体氡，但相对论计算预言它更可能是一种固体，甚至有正的电子亲和能——意味着它可能倾向于得到一个电子，而不是像惰性气体那样什么都不干。2026年1月，BenchChem发表了一篇全面的鿫化学性质理论指南，确认了这些反直觉的预测。
实验验证这些预言需要真正的化学实验——但你怎么对一个只存在几毫秒的原子做化学实验？答案是气相色谱。
2024年9月，一个国际合作团队在Frontiers in Chemistry上发表了鿭（113号）和镆（115号）的气-固色谱实验结果。他们在GSI用钙-48轰击镅-243产生镆-288，然后用新型miniCOMPACT探测器阵列在二氧化硅表面测量了它们的吸附行为。关键技术突破是开发了超短传输路径的探测器——以前鿭和镆在传输管道里就吸附损失了，新装置把它们直接送到探测面。
结果：鿭和镆在二氧化硅表面的吸附焓分别为约58和54 kJ/mol，比同族的铊和铋低约100 kJ/mol——它们更不活泼。但比相邻的闭壳层元素鎶（112）和𫓧（114）更活泼。这完全符合相对论效应的预言：7p₁/₂轨道的收缩降低了价电子能量，削弱了化学活性，但开壳层的鿭和镆仍然比闭壳层的鎶和𫓧更愿意反应。𫓧确实是反应活性的局部最低点——这验证了理论长期以来的预言。
2022年，同一个团队在GSI对𫓧（114号）进行了化学实验，结论是：𫓧是一种挥发性金属。它不是惰性气体，也不是像铅一样的普通金属，而是介于两者之间——能挥发，但会吸附在金表面。这跟相对论计算高度吻合。
2025年1月，Nature Reviews Chemistry发表了一篇题为"It's all oddly relative"的综述，系统总结了超重元素化学中相对论效应的实验进展。标题翻译过来就是：一切都是相对的——既指爱因斯坦的相对论，也指这些元素跟预期相比的那种"怪"。
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中国在这场竞赛中的角色值得单独说。
中国的超重元素研究起步晚。2016年之前，中国在这个领域的贡献主要是理论计算，实验上基本是旁观者。但2016年之后，近物所开始了快速追赶。
CAFE2加速器装置在2022年完成改造后，束流强度和稳定性大幅提升。2023年11月，他们用这台装置成功验证了115号镆的合成——这是中国首次独立产生超重元素。虽然镆不是新元素，但验证合成本身是一项重要的能力证明：它说明中国的装置和分离器已经能在超重元素这个精度上运行。
更远的目标是HIAF。位于广东惠州的强流重离子加速器装置在2025年10月完成了全线束流贯通，2026年4月完成了首终端实验。HIAF的束流强度和能量精度将达到世界领先水平，理论上也能用于超重元素研究。但HIAF的主要科学目标是核结构和核天体物理，超重元素合成需要专门的实验终端和分离器——这部分还在规划中。
中国理论团队也在发力。2024年12月发表在Chinese Physics C上的工作用双核系统模型系统评估了用Z>20弹核合成119号的可行性。2026年3月，INSPIRE-HEP收录了中国团队关于119号蒸发残存截面的计算。这些理论工作为实验选择最优弹靶组合提供了指导。
近物所的张志远研究员用了一个形象的比喻来形容超重元素合成："就好像用一头黑熊去高速撞击一头白熊，结果两头熊变成了一只熊猫。"——概率极低，但如果你撞的次数足够多，总能撞出几只。
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回到那个核心问题：元素周期表有尽头吗？
从核物理的角度看，答案取决于两件事。第一，壳效应能不能在某个质子数上足够强，让核存在哪怕一瞬间。第二，我们能不能找到足够多的中子把核带到稳定岛附近。
对第一个问题，理论目前给出的上限大约在Z=170-180之间。超过这个数，壳效应可能完全无法对抗库仑排斥，核不再存在。但这个上限非常不确定——可能Z=130就不行了，也可能Z=200还有微弱的壳效应支撑。
对第二个问题，热熔合和冷熔合都无法把中子数推到N=184。我们需要全新的方法——可能是多核子转移反应（两个重核轻轻擦过，交换一些核子），也可能是放射性核束（用丰中子的不稳定核做弹核）。2024年9月那篇Nuclear Science and Techniques的论文计算了放射性核束路线的截面，结论是：理论上可以到达N≈184，但需要的束流强度比目前水平高几个数量级。
元素周期表不会无限延伸。但没人知道它到底在哪一排终止。119号？120号？126号？还是更高？我们只知道一件事：每往前走一个格子，难度就上一个台阶。从113到118用了14年。从118到119，已经快十年了。
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还有一件事值得想。
118号鿫被命名为Oganesson，以Yuri Oganessian命名——他是Dubna超重元素研究的灵魂人物，领导了104到118号中大部分元素的合成。这是继锿（Einsteinium，99号）和镄（Fermium，100号）之后，第三个以在世科学家命名的元素。
Oganessian本人对此感到不安。他在一次采访中说："以活人的名字命名元素是危险的。谁知道他会做什么？"但IUPAC坚持了这个决定，理由是他的贡献无可争议。
这是一个有意味的时刻。一个科学家活着看到自己的名字被写进了元素周期表——而那个周期表上的最后一格，可能就是他亲手填的。第八周期的第一格会是谁填的？日本人、俄罗斯人、还是中国人？或者他们同时各自独立地发现了它，然后为优先权争论好几年？
历史告诉我们，超重元素的发现从来不是一帆风顺的。113号就经历了日美俄三方的优先权之争，最终RIKEN胜出。119号的竞赛可能更激烈——因为这次有中国加入了。
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关键时间线
| 时间 | 事件 | 来源 |
|---|---|---|
| 1969 | Myers和Świątecki预言超重核稳定岛Z≈114, N≈184 | Nucl. Phys. |
| 1974 | Flerov实验室首次尝试超重元素合成 | JINR |
| 1981-1996 | GSI用冷熔合合成107-112号元素 | Armbruster/Münzenberg团队 |
| 2000-2010 | Dubna用热熔合（⁴⁸Ca+锕系）合成113-118号元素 | Oganessian团队 |
| 2004-2012 | RIKEN冷熔合合成113号鿭，9年3个原子 | Morita团队 |
| 2012 | GSI直接映射超重核壳效应，半衰期随N增大 | Science |
| 2015 | IUPAC确认113-118号元素发现 | IUPAC |
| 2016.11 | IUPAC正式命名Nh/Mc/Ts/Og | IUPAC |
| 2018 | Dubna DC-280超重元素工厂建成调试 | JINR |
| 2019 | RIKEN开始119号元素搜索实验 | RNC |
| 2022 | 中国CAFE2改造完成；GSI𫓧化学实验证实挥发性金属 | 近物所/Nature |
| 2023.11 | 中国近物所验证115号镆合成 | 近物所 |
| 2024.02 | Dubna SHE Factory复现115号镆 | JINR |
| 2024.05 | 五种质量模型预测119/120号截面 | arXiv 2405.08098 |
| 2024.08 | 119/120号合成失败原因分析（准裂变+裂变竞争） | Braz. J. Phys. |
| 2024.09 | 鿭和镆气相色谱实验揭示相对论效应 | Frontiers Chem. |
| 2024.10 | LBNL首次用非双幻数弹核（⁵⁰Ti）合成𫟷-290 | PRL 133, 172502 |
| 2024.12 | 中国DNS模型评估Z>20弹核合成119号可行性 | Chinese Phys. C |
| 2025.01 | Nature Rev. Chem.综述超重元素相对论化学 | Nat. Rev. Chem. |
| 2025.01 | 超重核Z=106-126系统计算（泡泡核结构） | Nucl. Phys. A |
| 2025.06 | 中国近物所确认"致力于制造119号元素" | 中国甘肃网 |
| 2025.08 | RIKEN在国际核物理大会报告119号搜索进展 | INPC 2025 |
| 2025.10 | HIAF全线束流贯通 | 中科院近物所 |
| 2026.01 | 鿫化学性质理论指南（正电子亲和能预言） | BenchChem综述 |
| 2026.03 | 中国团队119号蒸发残存截面计算 | INSPIRE-HEP |
| 2026.04 | HIAF首终端实验完成 | 中科院近物所 |