重元素化學(xué)的挑戰(zhàn)

元素周期表是科學(xué)史上的偉大成就之一。

目前，元素周期表共列出了118種元素，這些元素按垂直的“族”（性質(zhì)相似）和水平的“周期”（原子序數(shù)從左至右遞增）進(jìn)行排列。其中，錒系元素（原子序數(shù)89-103）和鑭系元素（原子序數(shù)57-71）通常會被單獨列出，置于元素周期表的底部。

在某些元素尚未被發(fā)現(xiàn)之前，這張周期表就已成功預(yù)測了它們的質(zhì)量、密度、與其他元素的成鍵方式，以及許多其他性質(zhì)。然而，對位于元素周期表的底部的那些最重的元素，傳統(tǒng)的預(yù)測規(guī)律便可能不再適用。

長期以來，研究質(zhì)子數(shù)極多的元素——比如錒系元素和超重元素（原子序數(shù)>103）——的化學(xué)性質(zhì)，一直是極具挑戰(zhàn)的任務(wù)。巨大的實驗挑戰(zhàn)使得科學(xué)家一直無法直接識別這些原子所生成的任何分子種類。

最近，在一項新發(fā)表于《自然》的研究中，勞倫斯伯克利國家實驗室的研究人員利用88英寸回旋加速器，開發(fā)了一套新的技術(shù)，合成并直接識別出含有錒（原子序數(shù)89）的分子和含有锘（原子序數(shù)102）的分子。

這是科學(xué)家首次對原子序數(shù)大于99的元素所構(gòu)成的分子進(jìn)行直接測量與識別。

加速、捕獲與識別

在這項研究中，研究人員用88英寸回旋加速器加速一束鈣同位素（??Ca），分別轟擊銩（1??Tm）靶與鉛（2??Pb）靶。隨后，再利用伯克利氣體分離器，將產(chǎn)生的錒系離子、未反應(yīng)的束流材料，以及反應(yīng)副產(chǎn)物分離開來，之后再將錒系離子送入FIONA光譜儀進(jìn)行測量。

研究人員合成了含有錒（Ac）和锘（No）的分子，這兩種元素分別位于錒系元素序列的兩個極端。（圖/Kent Leech / Berkeley Lab）

在FIONA光譜儀中，錒系離子會被引入一個充滿氦氣（He）的氣體捕集器。在這里，離子與氦氣相互作用，并被還原為二價電荷態(tài)。由于氣體捕集器中殘留了非常微量的水蒸氣（H?O）和氮氣（N?），這使得二價錒系離子得以與這些殘留的雜質(zhì)結(jié)合，形成配位化合物。

研究人員觀察到锘離子（紫紅色）可以與不同數(shù)量的氮分子（藍(lán)色）和水分子（紅白）形成化學(xué)鍵。（圖/David Dixon and Sarah Sprouse/The University of Alabama, and Jennifer Pore/Berkeley Lab）

一旦這些錒系分子形成，研究人員便將其轉(zhuǎn)移到一個射頻四極冷卻-聚束離子阱中。這一裝置可在最長50毫秒內(nèi)將離子束縛住，在此期間，離子持續(xù)與氦氣發(fā)生碰撞，直至最終達(dá)到熱平衡。待其完成冷卻后，這些分子被FIONA的質(zhì)譜儀重新加速，并依據(jù)其質(zhì)荷比進(jìn)行識別。

揭開超重元素化學(xué)

過去，科學(xué)家曾普遍認(rèn)為，實驗裝置中對氣體的嚴(yán)格凈化會使殘留的水與氮微乎其微。但新的實驗表明，F(xiàn)IONA裝置中殘留的極微量的氮氣與水，就足以讓反應(yīng)發(fā)生。

FIONA裝置的性能遠(yuǎn)超以往的同類儀器，不僅速度更快，靈敏度也更高，這對于研究重元素和超重元素的化學(xué)性質(zhì)至關(guān)重要。研究人員指出，這些含有大量質(zhì)子的元素不僅制備極其困難，而且衰變速度非?？臁?/p>

過去的實驗只能測量含超重元素分子衰變時產(chǎn)生的次級粒子，而無法確定其最初的化學(xué)種類。大多數(shù)實驗結(jié)果只能給出一系列可能的分子，并且是基于對已知元素的行為進(jìn)行假設(shè)而推測得出的?，F(xiàn)在，新方法首次通過直接測量分子的質(zhì)量來加以鑒定，從而不再依賴這些假設(shè)。

這一成果為下一代的“每次1個原子的化學(xué)”（one-atom-at-a-time chemistry）打開了大門。它讓科學(xué)家可以真正去研究超重元素的化學(xué)，并追問它們是否在元素周期表上處于正確的位置。

除了加深我們對重元素與超重元素的理解之外，這項研究還有望在醫(yī)療用放射性同位素中發(fā)揮作用。例如，22?Ac（錒-225）在治療特定轉(zhuǎn)移性癌癥方面就展現(xiàn)出巨大潛力，但因為制備難度大、產(chǎn)量極低，嚴(yán)重限制了臨床試驗和治療的開展。研究人員表示，如果能夠更好地理解這類放射性元素的化學(xué)性質(zhì)，未來就可能更高效地制備出所需的特定分子。

#參考來源：

https://newscenter.lbl.gov/2025/08/04/new-technique-sheds-light-on-chemistry-at-the-bottom-of-the-periodic-table/

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09342-y

https://physicsworld.com/a/making-molecules-with-superheavy-elements-could-shake-up-the-periodic-table/

#圖片來源：

封面圖&首圖：Kent Leech / Berkeley Lab