首次直接識別出含有锘的分子！

重元素化學的挑戰

元素周期表是科學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”（性質相似）和水平的“周期”（原子序數從左至右遞增）進行排列。其中，錒系元素（原子序數89-103）和鑭系元素（原子序數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現之前，這張周期表就已成功預測了它們的質量、密度、與其他元素的成鍵方式，以及許多其他性質。然而，對位于元素周期表的底部的那些最重的元素，傳統的預測規律便可能不再適用。

長期以來，研究質子數極多的元素——比如錒系元素和超重元素（原子序數>103）——的化學性質，一直是極具挑戰的任務。巨大的實驗挑戰使得科學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，開發了一套新的技術，合成并直接識別出含有錒（原子序數89）的分子和含有锘（原子序數102）的分子。

這是科學家首次對原子序數大于99的元素所構成的分子進行直接測量與識別。

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，將產生的錒系離子、未反應的束流材料，以及反應副產物分離開來，之后再將錒系離子送入FIONA光譜儀進行測量。

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。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結合，形成配位化合物。

研究人員觀察到锘離子（紫紅色）可以與不同數量的氮分子（藍色）和水分子（紅白）形成化學鍵。（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毫秒內將離子束縛住，在此期間，離子持續與氦氣發生碰撞，直至最終達到熱平衡。待其完成冷卻后，這些分子被FIONA的質譜儀重新加速，并依據其質荷比進行識別。

揭開超重元素化學

過去，科學家曾普遍認為，實驗裝置中對氣體的嚴格凈化會使殘留的水與氮微乎其微。但新的實驗表明，FIONA裝置中殘留的極微量的氮氣與水，就足以讓反應發生。

FIONA裝置的性能遠超以往的同類儀器，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性質至關重要。研究人員指出，這些含有大量質子的元素不僅制備極其困難，而且衰變速度非常快。

過去的實驗只能測量含超重元素分子衰變時產生的次級粒子，而無法確定其最初的化學種類。大多數實驗結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行假設而推測得出的?，F在，新方法首次通過直接測量分子的質量來加以鑒定，從而不再依賴這些假設。

這一成果為下一代的“每次1個原子的化學”（one-atom-at-a-time chemistry）打開了大門。它讓科學家可以真正去研究超重元素的化學，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療用放射性同位素中發揮作用。例如，22?Ac（錒-225）在治療特定轉移性癌癥方面就展現出巨大潛力，但因為制備難度大、產量極低，嚴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性質，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