制造新元素没有回报，问问这位伯克利科学家 - 彭博社

杰克琳·盖茨在劳伦斯伯克利国家实验室。

摄影师：克里斯蒂·赫姆·克洛克为《彭博商业周刊》拍摄所以我们在这里，站在化学的边缘：原子序数118，俄根素，作为现有周期表的终章，以及科学问题与哲学问题交汇的地方。如果一个元素在自然界中不存在——如果它只能在实验室中被工程化存在一瞬间，然后消失，它真的算是一个元素吗？这样的壮举是否可以称为“发现”？科学家们通过将较轻的元素相互碰撞以创造更重的元素，能将周期表延伸到多远？仅仅为了增加一个方格，这样做是否值得花费时间和精力？

寻找这些问题答案的一个地方是在环形加速器路上，这是一段艰难的上坡路，位于加州大学伯克利分校校园上方。几十年来，伯克利的巨大加速器——在其内部承载着高能粒子的碰撞和组合——产生了一系列世界从未见过的元素：15种元素，包括原子序数93到106之间的每一个元素，除了一个。它们被称为超重元素，尽管这个术语一直不够准确，指的是92以上、100以上或103以上的元素。

刊登于 彭博商业周刊，2019年9月2日。立即订阅.摄影师：汤米·特伦查德（霓虹灯），肖恩·里科兹（钠），克里斯蒂·赫姆·克洛克（铍），卡洛塔·卡达纳（金），以及基利·余彦（钕）为《彭博商业周刊》拍摄即使在他们的命名中，伯克利也占据了荣耀。两个超重元素被称为劳伦斯元素和西博格元素，分别以欧内斯特·劳伦斯和格伦·西博格命名，他们是伯克利核物理学的巨头，建造了实验室的加速器并将其用于研究周期表中最重的元素。另两个被称为加利福尼亚元素和铍元素，这引发了《纽约客》的一个玩笑，称伯克利错失了将另一对命名为“大学元素”和“的元素”的机会，从而浪费了真正不朽的机会。纽约客的玩笑。

但随后游行停止了。伯克利合成的最后一个新元素是1974年的西博格元素。新的超重发现的公告现在由俄罗斯杜布纳、德国达姆施塔特和日本埼玉的实验室发布。科学发生了变化，似乎伯克利甚至没有试图赶上。制造元素的费用攀升至数百万美元——这些钱永远无法收回，因为大多数超重元素的稳定性不足以使其在商业上可行。资金逐渐枯竭；曾经，在不得不用备用零件建造离子分离器时，伯克利的科学家用老鼠夹的弹簧制作了一个阀门。实验室的一些加速器被退役。一个被停车场取代。

在1990年代末，伯克利团队最后一次突破了周期表的边界，甚至宣称他们偶然发现了118号元素——结果数据被揭露为一个人的科学欺诈。就这样。它的科学家加入了其他地方追求新元素的团队，但在他们自己的粒子加速器中，他们只专注于研究已知的超重元素。在参与这项工作的半打主要机构中，只有伯克利决定完全停止追逐周期表的尾巴。

人工元素的起源

数据：皇家化学学会

在科学中，没有什么比制造新元素更能融合平凡的算术和神秘的炼金术。原子核中的质子决定了其原子序数，从而决定了其作为元素的身份。将不同元素的原子融合将产生一个更重的元素，其原子序数可预测地只是较轻成分的总和。要合成海博金（106个质子），你可以将铬（24个质子）与铅（82个质子）或氧（8个质子）与加利福尼亚（98个质子）融合。一个一年级学生可以做这些加法。然而，她可能不知道，结合两个碘原子（53个质子）或其他相似大小的元素需要无法实现的能量，或者最好使用一个较轻的原子作为导弹瞄准一个较重的目标。为了确定哪种反应最有成功的机会，并计算原子必须碰撞的速度，然后启动粒子加速器并建立那些尖叫的能量和微小的精度条件，从而锻造一个在宇宙历史上从未出现过的元素，或者可能仅在遥远星星的核心短暂显现过——这感觉就像是一种宇宙创造的行为。

在伯克利仍然有一个粒子加速器，追溯到其寻找新元素的全盛时期：一个直径88英寸的回旋加速器，建于1961年，深藏在1 Cyclotron Rd大楼内。伯克利仅管理这个回旋加速器。它一直是美国政府的财产——最初属于原子能委员会，后来属于其继任者能源部。任何想见杰克琳·盖茨的人必须预约，向守卫出示身份证，走到大楼的门口，拨打她的座机电话，等待她下来开门。

作为重元素化学项目的工作人员，盖茨将回旋加速器作为她的主要仪器，设计测试并运行数周。我在五月拜访了她，那天是回旋加速器将启动进行为期一个半星期的锰元素（元素101）实验的前一天。一个氦离子，带有两个质子和两个中子，将被发射到涂抹在金属箔上的少量爱因斯坦元素（元素99）上，然后两者将结合成锰元素的16种同位素中的任何一种。这些同位素都含有101个质子，但它们的原子质量不同，因为它们的中子数量各异。“我们正在研究几种不同的同位素，以查看它们的质量是否被正确分配，”盖茨说。“我们希望了解核的形态，它是什么形状，或者中子和质子是如何排列的。”

她带我穿过10英尺厚的混凝土墙，进入回旋加速器的蒸汽朋克核心：到处都是电线、管道和显示灯，管道从一个腔室通向另一个腔室，巨大的磁铁将离子加速到光速的三分之一，然后弯曲并引导它们朝向目标。空气中充满了持续的、强大的嗡嗡声。听起来就像回旋加速器在享受最后一次长长的哈欠，然后摇醒自己开始工作。

欧内斯特·劳伦斯来源：劳伦斯伯克利国家实验室盖茨于2004年来到伯克利攻读博士学位，因此她错过了90年代末爆发的欺诈丑闻。保加利亚科学家维克托·尼诺夫曾在达姆施塔特的GSI亥姆霍兹重离子研究中心帮助发现元素110、111和112，1996年被伯克利挖走，成为团队在寻找新元素过程中闪耀的人才。实验室获得了一台先进的分离器，这是一种从实验中数万亿个粒子中挑选出形成的超重原子的设备。突破似乎非常可能。尼诺夫编写了软件来分析从回旋加速器中溢出的数据，并在1999年，在对铅靶进行氪轰击的项目中，他的程序揭示了元素118的形成。

伯克利在欢庆中宣布了这一消息；这标志着劳伦斯和西博格丰硕年代的回归。国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）负责审核此类发现，等待进一步确认，但其他实验室未能复制该实验。当伯克利的科学家仔细审查原始数据时，他们发现数据被操纵以产生结果。尼诺夫坚持认为他从未伪造任何东西，但他仍在2002年被解雇。在随后的几年里，其他地方的科学家发现了元素113到118，盖茨前往达姆施塔特参与一些元素猎寻活动。但伯克利没有进行自己的搜索。“我们有点避开了这个，”她说。“这可能是118的后果。我想我们只是对再次进行这项工作不感兴趣。”

格伦·西博格来源：劳伦斯伯克利国家实验室盖茨的门德列夫实验是伯克利现在进行的已知超重元素研究的典型。“我们对这些元素所知道的几乎只有如何生产它们、它们的寿命以及它们如何衰变，”她说。“我们不知道的是其他一切。”她将自己的项目安排在回旋加速器的其他主要功能留下的时间窗口中：测试微芯片以查看它们在安装到卫星上之前能承受多大的辐射。芯片测试为设施提供资金；在5月，波音、蓝色起源和NASA都为回旋加速器的时间支付了费用。根据盖茨的说法，这是能源部的任务。即使伯克利的科学家希望追求新元素，长时间占用粒子加速器进行实验也会很困难。

扩大周期表需要时间和金钱，科学家们必须准备好看到这两种资源被浪费。在他的新书中，超重元素：制造与打破周期表，英国科学记者基特·查普曼讲述了伯克利团队花了一个月的时间试图确认GSI对112的发现，每天花费50,000美元运行回旋加速器，结果发现他们的磁铁没有正确调谐。在2000年代中期，范德比尔特大学的物理学家约瑟夫·汉密尔顿与一个俄罗斯团队合作合成117，常常前往杜布纳。他们需要一个铍靶，因此他转向田纳西州的橡树岭国家实验室，该实验室为商业和研究目的制造超重元素——用于癌症药物的锕、用于石油行业的加利福尼亚、用于太空任务的钚。提供足够的铍用于实验的费用是多少？估计：350万美元。

汉密尔顿则等待橡树岭收到一个大型的加利福尼亚订单，这样他就可以购买作为副产品出现的铍。“每三个月，持续三年半，我打电话问他们是否有任何订单，”汉密尔顿说。最终的价格标签仍然约为60万美元。他为大部分费用写了一份研究拨款，然后为剩余的10万美元向伯克利实验室提供了参与实验的机会。

日本理研的核化学家羽生宏光表示，仅仅在九年内创造三个112元素的原子就花费了300万美元的电费、材料费和运行加速器的技术人员工资。理研是政府资助的，但羽生的团队通过向提供硬件的公司推销项目的声望来分担费用，让他们有机会参与这一历史使命。（这些公司提供折扣或赞助预算的一部分。）直到理研找到其矿藏并将其命名为日重元素，羽生解释说，“在存在的100多种元素中，没有一种是在亚洲发现的。”

像所有重元素实验室一样，Haba的团队不得不与制造用于医疗用途的放射性同位素的公司或研究不同元素的研究人员共享加速器时间。在九年中，总共只分配了200天用于nihonium实验。寻找新的超重元素是一项概率和耐心的练习。“如果你非常幸运，”Haba说，期望的反应将在“第一天发生。”

“我们对这些元素唯一知道的就是如何生产它们，它们的寿命有多长，以及它们如何衰变，”Gates说。“我们不知道的是其他一切。”摄影师：Christie Hemm Klok 为《彭博商业周刊》Matthias Schädel曾在GSI担任核化学家近四十年，直到2010年，他对此记忆犹新。他首先必须说服同事合作，然后申请资金和加速器的使用时间。“有时这个准备阶段需要几年的时间，”他说。当一束射束离子最终开始朝目标发射时，科学家的工作进入了单调的常规：检查设置，监控射束。“尤其是在夜班期间，这可能是一个乏味的阶段，”Schädel承认。他的同事们在查看数据流过计算机屏幕的同时，阅读期刊或小说。每小时左右，他们检查一次射束，以确保它仍然准确发射。特别是在“几周长的实验中的第n个夜班”到来时，这变得令人疲惫。他说，突然出现的数据揭示了一个“事件”——一种不寻常的核反应，经过几周的进一步分析，可能会被证明是一个不熟悉元素的特征，这会让你瞬间清醒。Schädel经历了很多这样的夜班，但他从未参与新元素的发现。

考虑到这些巨大的时间和资金投入，盖茨想知道这种探索是否总是值得。“我个人的看法是，在制造一个新元素所需的束流时间里，你可以学到很多关于我们已经制造的超重元素的知识。”当然，她说，学校里的学生并不知道是谁测量了锕系元素的电离势；他们只知道是谁首次制造了这个元素。“所以如果你想在公众中产生更大的影响，你会制造一个新元素，因为那是一个更引人注目的实验。政治开始驱动这一切，而不是科学探索。”

周期表从未被期望无限延展。在这些极端的表格边缘，将一个又一个质子塞入原子核使其变得越来越不稳定。正电荷相互排斥，直到原子核几乎瞬间衰变——在电子有机会进入轨道形成原子结构之前，以及在一百万亿分之一秒的时间内，这段时间是一个原子必须存在才能算作新元素的时间。如果你能达到元素173，科学家们推测，情况可能会变得更加棘手。爱因斯坦相对论的效应将开始显现，电子将以奇特的方式行为。这些原子甚至可能不是我们所知道的原子——它们的电子云溶解，属性的规律性大幅偏离。

1951年的伯克利实验室。来源：劳伦斯伯克利国家实验室但是物理学在173之前就已经出现了困难。即使是119，科学家们也不确定他们可能融合哪两个元素。118号元素俄根森是一个特别稳定的钙同位素撞击加利福尼亚元素的产物。但是，这种钙不能简单地指向爱因斯坦元素，即加利福尼亚元素之后的下一个元素；世界上只有少数核反应堆每年为研究生成大约一毫克的爱因斯坦元素。七年前，在GSI，克里斯托夫·杜尔曼和他的团队尝试了钛（22个质子）和铍（97个质子）的组合，但没有结果。在日本，哈巴一直在研究钒（23个质子）和铀（96个质子）。在3月启用的杜布纳60百万美元的超重元素工厂，科学家们正在用一种额外稳定的钛同位素轰击铍，其原子核比标准钛多出六个中子。但目前，杜尔曼说，118“是故事的结尾。我们现在需要一个新的想法。也许我们会在某个时候获得足够的爱因斯坦元素。但我们不知道119和120的最佳元素组合。理论的数量与您交谈的理论家的数量是一样的。”

理论家们一致认为119和120可能在可及范围内。元素往往成群发现，核化学家保罗·卡罗尔说，他曾担任IUPAC新元素工作组的主席。“现在有一个空白，但它并没有消失。它只是暂停喘息。”在120之后，一切都存在争议。一些科学家充满希望地谈论发现“稳定岛”，一组元素拥有理想的质子和中子数量，使它们神奇地稳定，愿意停留几个小时、几天甚至几年。“但这肯定会很困难，”卡罗尔说。“你试图朝某个方向前进，而有一股强风将你吹离航道。你可能什么都得不到——你淹没在海洋中，而不是登上岛屿。”

在那个时刻，最终，扩展周期表的运动将会停止。这并不是因为材料的实用性；合成元素在98号元素左右就停止了任何实际用途。相反，它们的价值始终在于它们所引发的研究：实验设计、对束流速度的仔细考虑，以及对这些短暂原子的物理性质的研究。“你在培养能够跳出日常科学，提出新事物的人，”卡罗尔说。“你在用这些东西滋养思想。”但如果元素停止显现，前沿研究也会枯竭。资助将会寻找新的项目，科学家们也会跟随它们；回旋加速器将被改造成其他设施，或者可能变成更多的停车场。自1869年以来，德米特里·门捷列夫在俄罗斯化学学会面前提出一种新的元素排列方式以来，他的周期表将首次不再是未完成的作品，一张尚待填充边界的地图。 这个故事来自《彭博商业周刊》的特刊元素。