摘要：目前，元素周期表共列出了118种元素，这些元素按垂直的“族”（性质相似）和水平的“周期”（原子序数从左至右递增）进行排列。其中，锕系元素（原子序数89-103）和镧系元素（原子序数57-71）通常会被单独列出，置于元素周期表的底部。

重元素化学的挑战

元素周期表是科学史上的伟大成就之一。

目前，元素周期表共列出了118种元素，这些元素按垂直的“族”（性质相似）和水平的“周期”（原子序数从左至右递增）进行排列。其中，锕系元素（原子序数89-103）和镧系元素（原子序数57-71）通常会被单独列出，置于元素周期表的底部。

在某些元素尚未被发现之前，这张周期表就已成功预测了它们的质量、密度、与其他元素的成键方式，以及许多其他性质。然而，对位于元素周期表的底部的那些最重的元素，传统的预测规律便可能不再适用。

长期以来，研究质子数极多的元素——比如锕系元素和超重元素（原子序数>103）——的化学性质，一直是极具挑战的任务。巨大的实验挑战使得科学家一直无法直接识别这些原子所生成的任何分子种类。

最近，在一项新发表于《自然》的研究中，劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员利用88英寸回旋加速器，开发了一套新的技术，合成并直接识别出含有锕（原子序数89）的分子和含有锘（原子序数102）的分子。

这是科学家首次对原子序数大于99的元素所构成的分子进行直接测量与识别。

加速、捕获与识别

在这项研究中，研究人员用88英寸回旋加速器加速一束钙同位素（⁴⁸Ca），分别轰击铥（¹⁶⁹Tm）靶与铅（²⁰⁸Pb）靶。随后，再利用伯克利气体分离器，将产生的锕系离子、未反应的束流材料，以及反应副产物分离开来，之后再将锕系离子送入FIONA光谱仪进行测量。

研究人员合成了含有锕（Ac）和锘（No）的分子，这两种元素分别位于锕系元素序列的两个极端。（图/Kent Leech / Berkeley Lab）

在FIONA光谱仪中，锕系离子会被引入一个充满氦气（He）的气体捕集器。在这里，离子与氦气相互作用，并被还原为二价电荷态。由于气体捕集器中残留了非常微量的水蒸气（H₂O）和氮气（N₂），这使得二价锕系离子得以与这些残留的杂质结合，形成配位化合物。

研究人员观察到锘离子（紫红色）可以与不同数量的氮分子（蓝色）和水分子（红白）形成化学键。（图/David Dixon and Sarah Sprouse/The University of Alabama, and Jennifer Pore/Berkeley Lab）

一旦这些锕系分子形成，研究人员便将其转移到一个射频四极冷却-聚束离子阱中。这一装置可在最长50毫秒内将离子束缚住，在此期间，离子持续与氦气发生碰撞，直至最终达到热平衡。待其完成冷却后，这些分子被FIONA的质谱仪重新加速，并依据其质荷比进行识别。

揭开超重元素化学

过去，科学家曾普遍认为，实验装置中对气体的严格净化会使残留的水与氮微乎其微。但新的实验表明，FIONA装置中残留的极微量的氮气与水，就足以让反应发生。

FIONA装置的性能远超以往的同类仪器，不仅速度更快，灵敏度也更高，这对于研究重元素和超重元素的化学性质至关重要。研究人员指出，这些含有大量质子的元素不仅制备极其困难，而且衰变速度非常快。

过去的实验只能测量含超重元素分子衰变时产生的次级粒子，而无法确定其最初的化学种类。大多数实验结果只能给出一系列可能的分子，并且是基于对已知元素的行为进行假设而推测得出的。现在，新方法首次通过直接测量分子的质量来加以鉴定，从而不再依赖这些假设。

这一成果为下一代的“每次1个原子的化学”（one-atom-at-a-time chemistry）打开了大门。它让科学家可以真正去研究超重元素的化学，并追问它们是否在元素周期表上处于正确的位置。

除了加深我们对重元素与超重元素的理解之外，这项研究还有望在医疗用放射性同位素中发挥作用。例如，²²⁵Ac（锕-225）在治疗特定转移性癌症方面就展现出巨大潜力，但因为制备难度大、产量极低，严重限制了临床试验和治疗的开展。研究人员表示，如果能够更好地理解这类放射性元素的化学性质，未来就可能更高效地制备出所需的特定分子。

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封面图&首图：Kent Leech / Berkeley Lab

来源：老吴的科学大讲堂