製造新元素沒有回報，問問這位伯克利科學家 - 彭博社

傑克琳·蓋茨在勞倫斯伯克利國家實驗室。

攝影師：克里斯蒂·赫姆·克洛克為《彭博商業週刊》拍攝所以我們在這裏，站在化學的邊緣：原子序數118，俄根素，作為現有周期表的終章，以及科學問題與哲學問題交匯的地方。如果一個元素在自然界中不存在——如果它只能在實驗室中被工程化存在一瞬間，然後消失，它真的算是一個元素嗎？這樣的壯舉是否可以稱為“發現”？科學家們通過將較輕的元素相互碰撞以創造更重的元素，能將週期表延伸到多遠？僅僅為了增加一個方格，這樣做是否值得花費時間和精力？

尋找這些問題答案的一個地方是在環形加速器路上，這是一段艱難的上坡路，位於加州大學伯克利分校校園上方。幾十年來，伯克利的巨大加速器——在其內部承載着高能粒子的碰撞和組合——產生了一系列世界從未見過的元素：15種元素，包括原子序數93到106之間的每一個元素，除了一個。它們被稱為超重元素，儘管這個術語一直不夠準確，指的是92以上、100以上或103以上的元素。

刊登於 彭博商業週刊，2019年9月2日。立即訂閲.攝影師：湯米·特倫查德（霓虹燈），肖恩·里科茲（鈉），克里斯蒂·赫姆·克洛克（鈹），卡洛塔·卡達納（金），以及基利·餘彥（釹）為《彭博商業週刊》拍攝即使在他們的命名中，伯克利也佔據了榮耀。兩個超重元素被稱為勞倫斯元素和西博格元素，分別以歐內斯特·勞倫斯和格倫·西博格命名，他們是伯克利核物理學的巨頭，建造了實驗室的加速器並將其用於研究週期表中最重的元素。另兩個被稱為加利福尼亞元素和鈹元素，這引發了《紐約客》的一個玩笑，稱伯克利錯失了將另一對命名為“大學元素”和“的元素”的機會，從而浪費了真正不朽的機會。紐約客的玩笑。

但隨後遊行停止了。伯克利合成的最後一個新元素是1974年的西博格元素。新的超重發現的公告現在由俄羅斯杜布納、德國達姆施塔特和日本埼玉的實驗室發佈。科學發生了變化，似乎伯克利甚至沒有試圖趕上。製造元素的費用攀升至數百萬美元——這些錢永遠無法收回，因為大多數超重元素的穩定性不足以使其在商業上可行。資金逐漸枯竭；曾經，在不得不用備用零件建造離子分離器時，伯克利的科學家用老鼠夾的彈簧製作了一個閥門。實驗室的一些加速器被退役。一個被停車場取代。

在1990年代末，伯克利團隊最後一次突破了週期表的邊界，甚至宣稱他們偶然發現了118號元素——結果數據被揭露為一個人的科學欺詐。就這樣。它的科學家加入了其他地方追求新元素的團隊，但在他們自己的粒子加速器中，他們只專注於研究已知的超重元素。在參與這項工作的半打主要機構中，只有伯克利決定完全停止追逐週期表的尾巴。

人工元素的起源

數據：皇家化學學會

在科學中，沒有什麼比製造新元素更能融合平凡的算術和神秘的鍊金術。原子核中的質子決定了其原子序數，從而決定了其作為元素的身份。將不同元素的原子融合將產生一個更重的元素，其原子序數可預測地只是較輕成分的總和。要合成海博金（106個質子），你可以將鉻（24個質子）與鉛（82個質子）或氧（8個質子）與加利福尼亞（98個質子）融合。一個一年級學生可以做這些加法。然而，她可能不知道，結合兩個碘原子（53個質子）或其他相似大小的元素需要無法實現的能量，或者最好使用一個較輕的原子作為導彈瞄準一個較重的目標。為了確定哪種反應最有成功的機會，並計算原子必須碰撞的速度，然後啓動粒子加速器並建立那些尖叫的能量和微小的精度條件，從而鍛造一個在宇宙歷史上從未出現過的元素，或者可能僅在遙遠星星的核心短暫顯現過——這感覺就像是一種宇宙創造的行為。

在伯克利仍然有一個粒子加速器，追溯到其尋找新元素的全盛時期：一個直徑88英寸的迴旋加速器，建於1961年，深藏在1 Cyclotron Rd大樓內。伯克利僅管理這個迴旋加速器。它一直是美國政府的財產——最初屬於原子能委員會，後來屬於其繼任者能源部。任何想見傑克琳·蓋茨的人必須預約，向守衞出示身份證，走到大樓的門口，撥打她的座機電話，等待她下來開門。

作為重元素化學項目的工作人員，蓋茨將回旋加速器作為她的主要儀器，設計測試並運行數週。我在五月拜訪了她，那天是迴旋加速器將啓動進行為期一個半星期的錳元素（元素101）實驗的前一天。一個氦離子，帶有兩個質子和兩個中子，將被髮射到塗抹在金屬箔上的少量愛因斯坦元素（元素99）上，然後兩者將結合成錳元素的16種同位素中的任何一種。這些同位素都含有101個質子，但它們的原子質量不同，因為它們的中子數量各異。“我們正在研究幾種不同的同位素，以查看它們的質量是否被正確分配，”蓋茨説。“我們希望瞭解核的形態，它是什麼形狀，或者中子和質子是如何排列的。”

她帶我穿過10英尺厚的混凝土牆，進入迴旋加速器的蒸汽朋克核心：到處都是電線、管道和顯示燈，管道從一個腔室通向另一個腔室，巨大的磁鐵將離子加速到光速的三分之一，然後彎曲並引導它們朝向目標。空氣中充滿了持續的、強大的嗡嗡聲。聽起來就像迴旋加速器在享受最後一次長長的哈欠，然後搖醒自己開始工作。

歐內斯特·勞倫斯來源：勞倫斯伯克利國家實驗室蓋茨於2004年來到伯克利攻讀博士學位，因此她錯過了90年代末爆發的欺詐醜聞。保加利亞科學家維克托·尼諾夫曾在達姆施塔特的GSI亥姆霍茲重離子研究中心幫助發現元素110、111和112，1996年被伯克利挖走，成為團隊在尋找新元素過程中閃耀的人才。實驗室獲得了一台先進的分離器，這是一種從實驗中數萬億個粒子中挑選出形成的超重原子的設備。突破似乎非常可能。尼諾夫編寫了軟件來分析從迴旋加速器中溢出的數據，並在1999年，在對鉛靶進行氪轟擊的項目中，他的程序揭示了元素118的形成。

伯克利在歡慶中宣佈了這一消息；這標誌着勞倫斯和西博格豐碩年代的迴歸。國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）負責審核此類發現，等待進一步確認，但其他實驗室未能複製該實驗。當伯克利的科學家仔細審查原始數據時，他們發現數據被操縱以產生結果。尼諾夫堅持認為他從未偽造任何東西，但他仍在2002年被解僱。在隨後的幾年裏，其他地方的科學家發現了元素113到118，蓋茨前往達姆施塔特參與一些元素獵尋活動。但伯克利沒有進行自己的搜索。“我們有點避開了這個，”她説。“這可能是118的後果。我想我們只是對再次進行這項工作不感興趣。”

格倫·西博格來源：勞倫斯伯克利國家實驗室蓋茨的門德列夫實驗是伯克利現在進行的已知超重元素研究的典型。“我們對這些元素所知道的幾乎只有如何生產它們、它們的壽命以及它們如何衰變，”她説。“我們不知道的是其他一切。”她將自己的項目安排在迴旋加速器的其他主要功能留下的時間窗口中：測試微芯片以查看它們在安裝到衞星上之前能承受多大的輻射。芯片測試為設施提供資金；在5月，波音、藍色起源和NASA都為迴旋加速器的時間支付了費用。根據蓋茨的説法，這是能源部的任務。即使伯克利的科學家希望追求新元素，長時間佔用粒子加速器進行實驗也會很困難。

擴大週期表需要時間和金錢，科學家們必須準備好看到這兩種資源被浪費。在他的新書中，超重元素：製造與打破週期表，英國科學記者基特·查普曼講述了伯克利團隊花了一個月的時間試圖確認GSI對112的發現，每天花費50,000美元運行迴旋加速器，結果發現他們的磁鐵沒有正確調諧。在2000年代中期，範德比爾特大學的物理學家約瑟夫·漢密爾頓與一個俄羅斯團隊合作合成117，常常前往杜布納。他們需要一個鈹靶，因此他轉向田納西州的橡樹嶺國家實驗室，該實驗室為商業和研究目的製造超重元素——用於癌症藥物的錒、用於石油行業的加利福尼亞、用於太空任務的鈈。提供足夠的鈹用於實驗的費用是多少？估計：350萬美元。

漢密爾頓則等待橡樹嶺收到一個大型的加利福尼亞訂單，這樣他就可以購買作為副產品出現的鈹。“每三個月，持續三年半，我打電話問他們是否有任何訂單，”漢密爾頓説。最終的價格標籤仍然約為60萬美元。他為大部分費用寫了一份研究撥款，然後為剩餘的10萬美元向伯克利實驗室提供了參與實驗的機會。

日本理研的核化學家羽生宏光表示，僅僅在九年內創造三個112元素的原子就花費了300萬美元的電費、材料費和運行加速器的技術人員工資。理研是政府資助的，但羽生的團隊通過向提供硬件的公司推銷項目的聲望來分擔費用，讓他們有機會參與這一歷史使命。（這些公司提供折扣或贊助預算的一部分。）直到理研找到其礦藏並將其命名為日重元素，羽生解釋説，“在存在的100多種元素中，沒有一種是在亞洲發現的。”

像所有重元素實驗室一樣，Haba的團隊不得不與製造用於醫療用途的放射性同位素的公司或研究不同元素的研究人員共享加速器時間。在九年中，總共只分配了200天用於nihonium實驗。尋找新的超重元素是一項概率和耐心的練習。“如果你非常幸運，”Haba説，期望的反應將在“第一天發生。”

“我們對這些元素唯一知道的就是如何生產它們，它們的壽命有多長，以及它們如何衰變，”Gates説。“我們不知道的是其他一切。”攝影師：Christie Hemm Klok 為《彭博商業週刊》Matthias Schädel曾在GSI擔任核化學家近四十年，直到2010年，他對此記憶猶新。他首先必須説服同事合作，然後申請資金和加速器的使用時間。“有時這個準備階段需要幾年的時間，”他説。當一束射束離子最終開始朝目標發射時，科學家的工作進入了單調的常規：檢查設置，監控射束。“尤其是在夜班期間，這可能是一個乏味的階段，”Schädel承認。他的同事們在查看數據流過計算機屏幕的同時，閲讀期刊或小説。每小時左右，他們檢查一次射束，以確保它仍然準確發射。特別是在“幾周長的實驗中的第n個夜班”到來時，這變得令人疲憊。他説，突然出現的數據揭示了一個“事件”——一種不尋常的核反應，經過幾周的進一步分析，可能會被證明是一個不熟悉元素的特徵，這會讓你瞬間清醒。Schädel經歷了很多這樣的夜班，但他從未參與新元素的發現。

考慮到這些巨大的時間和資金投入，蓋茨想知道這種探索是否總是值得。“我個人的看法是，在製造一個新元素所需的束流時間裏，你可以學到很多關於我們已經制造的超重元素的知識。”當然，她説，學校裏的學生並不知道是誰測量了錒系元素的電離勢；他們只知道是誰首次製造了這個元素。“所以如果你想在公眾中產生更大的影響，你會製造一個新元素，因為那是一個更引人注目的實驗。政治開始驅動這一切，而不是科學探索。”

週期表從未被期望無限延展。在這些極端的表格邊緣，將一個又一個質子塞入原子核使其變得越來越不穩定。正電荷相互排斥，直到原子核幾乎瞬間衰變——在電子有機會進入軌道形成原子結構之前，以及在一百萬億分之一秒的時間內，這段時間是一個原子必須存在才能算作新元素的時間。如果你能達到元素173，科學家們推測，情況可能會變得更加棘手。愛因斯坦相對論的效應將開始顯現，電子將以奇特的方式行為。這些原子甚至可能不是我們所知道的原子——它們的電子雲溶解，屬性的規律性大幅偏離。

1951年的伯克利實驗室。來源：勞倫斯伯克利國家實驗室但是物理學在173之前就已經出現了困難。即使是119，科學家們也不確定他們可能融合哪兩個元素。118號元素俄根森是一個特別穩定的鈣同位素撞擊加利福尼亞元素的產物。但是，這種鈣不能簡單地指向愛因斯坦元素，即加利福尼亞元素之後的下一個元素；世界上只有少數核反應堆每年為研究生成大約一毫克的愛因斯坦元素。七年前，在GSI，克里斯托夫·杜爾曼和他的團隊嘗試了鈦（22個質子）和鈹（97個質子）的組合，但沒有結果。在日本，哈巴一直在研究釩（23個質子）和鈾（96個質子）。在3月啓用的杜布納60百萬美元的超重元素工廠，科學家們正在用一種額外穩定的鈦同位素轟擊鈹，其原子核比標準鈦多出六個中子。但目前，杜爾曼説，118“是故事的結尾。我們現在需要一個新的想法。也許我們會在某個時候獲得足夠的愛因斯坦元素。但我們不知道119和120的最佳元素組合。理論的數量與您交談的理論家的數量是一樣的。”

理論家們一致認為119和120可能在可及範圍內。元素往往成羣發現，核化學家保羅·卡羅爾説，他曾擔任IUPAC新元素工作組的主席。“現在有一個空白，但它並沒有消失。它只是暫停喘息。”在120之後，一切都存在爭議。一些科學家充滿希望地談論發現“穩定島”，一組元素擁有理想的質子和中子數量，使它們神奇地穩定，願意停留幾個小時、幾天甚至幾年。“但這肯定會很困難，”卡羅爾説。“你試圖朝某個方向前進，而有一股強風將你吹離航道。你可能什麼都得不到——你淹沒在海洋中，而不是登上島嶼。”

在那個時刻，最終，擴展週期表的運動將會停止。這並不是因為材料的實用性；合成元素在98號元素左右就停止了任何實際用途。相反，它們的價值始終在於它們所引發的研究：實驗設計、對束流速度的仔細考慮，以及對這些短暫原子的物理性質的研究。“你在培養能夠跳出日常科學，提出新事物的人，”卡羅爾説。“你在用這些東西滋養思想。”但如果元素停止顯現，前沿研究也會枯竭。資助將會尋找新的項目，科學家們也會跟隨它們；迴旋加速器將被改造成其他設施，或者可能變成更多的停車場。自1869年以來，德米特里·門捷列夫在俄羅斯化學學會面前提出一種新的元素排列方式以來，他的週期表將首次不再是未完成的作品，一張尚待填充邊界的地圖。 這個故事來自《彭博商業週刊》的特刊元素。