人们对于元素周期表边缘范围的重元素知之甚少。然而人们如何研究在瞬间就衰变的子原呢？肯德尔 · 鮑威尔（Kendall Powell）找到了解决方法。

当克里斯托夫 · 杜尔曼（Christoph Düllmann）探测到第一个钅黑原子时，他“啪”的一声开了一瓶伏特加酒以此庆祝他的发现。在接下来的几天里，德国达姆施塔特GSI重离子研究中心的探测器接收到多于6个的钅黑原子。对于杜尔曼而言，每个原子都能给他带来欣慰——已经用了两年时间完善他的实验计划，而且他把他的博士论文也押在了能够对钅黑原子进行研究的实验仪器上。

杜尔曼并不是唯一感到欣慰的人。来自10个组织机构的30多位研究人员参与制定了一项如何探测钅黑的化学性质的计划——一个排在元素周期表中第108位并且在它形成后的瞬间就会衰变的重元素——钅黑。他们把所有的赌注都押在了钅黑遵从元素周期表规律上（本周Nature第859页引用期刊的文章的结果表明他们是正确的）。

然而研究人员同时发现其他一些重元素有悖于常规。元素周期表中大部分元素的性质都能通过它所在的族或周期推断出来。但是一些位于周期表下层区域的重元素破坏了这种趋势，把化学家的预言搞得一团糟。

即使重元素服从常规探测它们的化学性质仍旧非常困难。比铀重的元素只能通过人工获得，通常是由离子束轰击固定的靶得到。只有少数的碰撞才能产生需要的元素，因此这个过程非常耗时。并且重元素往往不稳定——其中很多在瞬间就衰变成较轻的元素。因此尽管自1940年以来物理学家每隔10年就会在元素周期表中扩展几个新的元素——已经拓展到了第112号，只有在过去的20年中靶的设计和离子束的强度有所进展后，研究人员才能对重元素的化学性质进行研究。

重元素所表现出来的奇异特性源于它的电子结构。在所有的大原子中，围绕原子核旋转的内层电子起到了屏蔽原子核与外层电子之间引力的作用。但是在重元素中，原子核所带的大量正电荷使得内层电子以接近光速绕核运动——根据相对论这将导致内层电子质量增加。电子将会进入更内层的轨道，同时这也增加了对外层电子的屏蔽作用。

增强的屏蔽作用能够改变外层电子与其他原子、分子相互作用的方式，潜在地导致了重元素与同族的其他元素步调失谐。“人们总是期望从元素周期表的趋向中获得突破”，赫尔辛基大学的理论化学家佩卡 · 皮科（Pekka Pyykkō）说道。“但是没人知道这什么时候发生，在哪一族发生；即便有，你能看到主要的变化吗？。”

有风险的事业

这些不确定性是核化学家们面临的主要问题。如果元素并不表现预期的特性，那么他们冒着花费数年时间的风险所设计实验装置可能没有办法探测到他们所寻找的元素。为了成功，激烈的竞争对手不得不相互合作，而且不得不依靠点儿运气。

对于钅黑元素研究人员不得不等上12年才能开展他们的工作。这种元素是1984年在CSI研究中心被发现的，并且由研究院所在地海塞州（Hesse）命名。那里的研究人员用一束铁离子轰击铅靶，在若干次这样的轰击中，一个铁原子核克服了铅原子核对其的斥力进入到铅核，二者融合形成一个钅黑原子。但是所生成的锶的同位素的半衰期只有1.5毫秒，它存在时间太短不能用于实验研究。

1996年当GSI的研究人员在寻找第112号元素时有了突破。他们用一束锌离子轰击铅靶，这使得他们成为世界上最早成功合成该元素的小组之一，最近该元素暂时被命名为ununbium。在112号元素衰变形成的粒子和核子碎片中发现了半衰期为9秒的钅黑的同位素。

这推动了对钅黑化学性质的一系列研究。杜尔曼和他的合作者致力于对四氧化钅黑挥发性的研究一当钅黑与氧气反应时会生成这种气体。同一族中底层元素会生成比上层具有更强挥发性的四氧化物气体，因此可以预料四氧化钅黑至少具有同一族中位于它正上方的锇的四氧化物所具有的挥发性。这些得到了GSI的理论家瓦尔里亚 · 波士那（Valeria Pershina）的支持，他提出钅黑的四氧化物具有本族中其他元素四氧化物的属性，例如锇和钌。

正常特性

用镁离子轰击锔靶产生存在时间很长的钅黑的同位素，然后被氧和氦的混合气体推人试管。混合物被加热到600%，如果预测正确的话这将会加速四氧化钅黑的生成。再让气体通过一系列不同温度的硅探测器，的生成。再让气体通过一系列不同温度的硅探测器，气体会吸附于硅的表面，由这些硅探测器的温度可以推断出气体的挥发性。

来之不易的收获：GSI的研究人员（上图）和他们用于探测四氧化钅黑的实验装置（内插图）

去年5月迎来了关键时刻，用于揭示研究人员所下赌注是否正确的实验开始了，他们已经赌上了他们的时间和金钱。经过10天的研究探测到了第一个四氧化钅黑分子，并且在期望的温度范围。杜尔曼重新检查了实验仪器，然后与控制室的其他人干了一小杯伏特加，看样子正如所料钅黑确实符合同族中的元素具有的性质。

相聚：国际研究小组庆祝钅黑实验的结束

但是其他重元素却缺乏可预见性。20世纪80年代，对105号元素进行的实验表明：较同一族中位于它正上方的钽（tan）与位于它上两位的铌而言，它与铌的性质更为相似，而包括第106号在内的其他元素却仍然服从常规。

异常特性

然而有一种元素看起来与规则完全不符。俄罗斯杜伯纳的弗廖罗夫核反应实验室（Flerov Laboratory of Nuclear Reactions）亚库雪夫（Yakushev）所领导的小组正在试图捕获第112号元素。这种元素在Ⅱb族，因此应当比汞具有更强的挥发性。但是相对论的结果却预料它应当更像惰性气体例如氡。

亚库雪夫和他的同事把他们的赌注押在建立一个既能够探测类汞又能够探测类氢的实验装置上。与钅黑元素的实验不同，他们在非束缚态考察112号元素的化学性质。用钙离子束轰击铀靶，产生的112号元素被两个不同的探测器接收，如果元素表现出类汞性，它就会被束缚在用金覆盖表面的探测器上。如果不是，它就会被引人到电离室，在那里会观察到衰变链。

一些初步未发表的结果表明，金的表面没有束缚的原子，但是在电离室探测到了8个原子，说明112号元素可能具有类氡性。其他元素只是破坏了本族元素的趋向性，但112号元素却表现得它好像完全属于另外一族。

与其他对钅黑化学性质的研究工作一样，弗廖罗夫小组同样非常依赖由全世界共同开发的技术和提出的预测——钅黑的研究工作是一项国际性的事业。加利福尼亚伯克利的劳伦斯 · 伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的研究小组及杜尔曼进行实验的瑞士威里根学院的保罗 · 谢勒（Paul Scherrer）设计了探测器，弗廖罗夫的研究人员对锇进行了初步的研究，几个德国研究小组制造了靶并组织了最终的实验，同时提供了理论计算。“总体上，世界上所有从事超重元素气相化学性质的研究人员都参与了研究。”钅黑论文的合著者亚库雪夫说道。

这种合作精神并不总是这么容易就能建立。研究小组之间对于发现新元素的竞争非常激烈，部分原因是由于发现者可以对新元素命名。但是复杂的化学实验迫使研究小组相互合作。“这需要一条好的路线和巧妙的外交，”劳伦斯 · 伯克利国家实验室的核化学家海诺 · 尼茨克（Heino Nitsche）说道。

今年这种微妙的平衡被破坏了，劳伦斯 · 伯克利小组的物理学家维克多 · 尼诺（Victor Ninov）被指控在宣称探测到第116号和118号元素时篡改了数据，尼诺否认了一切。他被实验室开除，论文也被撤销。他所参与的GSI早期研究结果也受到了审查。

亚库雪夫称这件事为“我们所有人的教训”，并且说将来的实验结果应该能够被同一领域的研究人员所检验。随着基础研究资金的缩减和粒子束被高能物理的占用，核化学家担心这个丑闻会影响他们所取得的成绩。即使没有丑闻他们的研究也不能产生立竿见影的应用，纵然他们正在创造着迷人的科学。“国际性的研究小组规模太小不能将其拓展到不同的领域，”尼茨克说道，“当元素周期表的基础受到置疑时其研究领域是拓展不了的。”

[Nature，2002年8月22日]