随着新元素探索的脚步放缓，科学家们将工作重点放在加深对已知超重元素的理解上。
如果你想创造世界上下一个未被发现的元素——元素周期表中的第119号元素，下面的方法也许能够助你一臂之力。首先，取出几毫克锫，这是一种稀有放射性金属，只能在专用核反应堆中制造出来；然后用钛离子束轰击样品，其速度大概需达到光速的1/10。坚持一年左右，要有耐心，而且要非常有耐心。钛离子每轰击锫靶1018次——大约一年的射束时间——可能会产生1个第119号元素的原子。
在这种罕见的情况下，钛和锫的原子核会发生碰撞并合为一体，碰撞的速度超过了它们的电斥力，从而创造出地球上甚至宇宙中从未见过的物质。但新的原子会在大约1/10毫秒内分解。在衰变过程中，它会爆发α粒子和γ射线，落在放置于锫靶周围的硅探测器上，从而证明转瞬即逝的第119号元素的确存在过。
研究人员已经开展过该实验。2012年，德国的化学家花了数月时间对其进行研究，但最终一无所获。日本科学家曾尝试过其他的光束和标靶组合；他们还曾与和俄罗斯的一个研究团队合作，共同寻找第120号元素，但运气欠佳。
扩展元素周期表的努力还未结束，但正在慢慢停止。自从俄国化学家门捷列夫在150年前首次发表元素周期表以来，研究人员一直在以平均每2~3年增加一种元素的速度往周期表中添加元素。在发现了所有自然存在的稳定元素后，研究人员开始创造元素，如今已经发现了第118号元素。尽管他们仍然希望找到更多元素，但同时也一致认为，发现第120号之后的元素的前景不容乐观。加州劳伦斯伯克利国家实验室研究重元素化学的杰克林·盖茨（Jacklyn Gates）表示：“在新元素合成方面，我们已经到了回报递减的阶段，至少以我们目前的技术水平来看是这样。”
因此，在元素周期表边缘进行的研究正在转移人们的注意力。科学家们不是去寻找新的元素，而是重新加深对已经发现的超重元素的理解。粗略地说，超重元素就是那些原子序数超过100的元素。通过研究这些元素的化学性质，可以看出质量最大的元素是否遵循元素周期表的组织规则。周期表则根据化学反应的周期性重复模式，将具有相似性质的元素归为同一家族。尽管最重的元素在转瞬之间发生衰变，但研究人员仍然希望他们可能到达传说中的“稳定岛”：一个假想的元素区，其中的一些超重元素同位素（原子核中质子数相同，但中子数不同的原子）可能存在几分钟、几天甚至更长时间。
创造新元素在概念上非常简单，但在技术上既困难又缓慢。研究在不到一秒内衰变的原子的化学和核物理性质，将计算和实验工作都推到了极限。到目前为止，该领域取得的成果已经对这些极端元素的化学周期性提出了疑问。85岁的俄罗斯核物理学家、历史上第二位健在时便拥有以自己名字命名的元素（）的科学家尤里·奥加涅相（Yuri Oganessian）说：“发现超重元素有时就像打开一个潘多拉盒子，从盒子里扔出来的问题比发现更多的元素要复杂得多。”
稀有成果
对超重元素的研究始于20世纪40年代的战时科学。第一批非自然元素是在原子弹试验的放射性尘埃碎片中发现的，还有一些是在粒子加速器中制造的。从20世纪50年代到70年代，大部分研究要么在伯克利国家实验室进行，要么在奥加涅相所在的位于俄罗斯杜布纳的联合核研究所（JINR）进行，而超重元素的研究工作是在冷战竞争的氛围中进行的。20世纪80年代，德国加入了竞赛，位于达姆施塔特的一个研究所（现亥姆霍兹重离子研究中心，GSI）制造了第107号至第112号的元素。
GSI超重元素部门负责人克里斯托弗·杜尔曼（Christoph Düllmann）认为，早期的竞争优势已经减弱，如今，研究人员经常合作开展一些实验。日本理化学研究所（RIKEN）西奈山加速器科学中心的一个日本团队被认为制造出了第113号元素。后期元素（至第118号元素）的创造很多时候共同归功于来自德国、美国和俄罗斯的团队。
在GSI从事元素合成工作40年的马蒂亚斯·沙德尔（Matthias Schädell）认为，现代寻找超重元素的工作类似于小规模的粒子物理实验，需要具有不同科学专业知识的团队从大量碰撞数据中筛选出非常罕见的事件。他说：“在控制室里坐上几小时、几天，甚至几周，仅仅是为了寻找探测器发出的期待已久的信号。这项工作非常无聊，令人精疲力尽。然而，首次观察到期待中的事件会令人激动不已，身心愉悦，同时给人以巨大安慰。”
2015年，森田浩介在新闻发布会上宣布，他领导的日本理化学研究所团队发现了第113号元素
元素发现时间
自从门捷列夫在1869年发表周期表以来，研究人员发现或创造新元素的平均速度是每2-3年一个。
奥加涅相表示：“人工元素的合成从来都是一项困难而艰苦的工作。将元素周期表扩展到118号以后的元素会消耗大量时间，而且回报也会不断递减。在发现第117号元素的过程中，每周可获得1个原子；第118号元素则每个月只能获取1个原子。没有理由相信第119号和第120号这两种未知元素的产量会增加。”瑞典隆德大学的核物理学家德克·鲁道夫（Dirk Rudolph）认为，如果研究人员能够增加原子束的强度或标靶的厚度，这将会有所帮助，但是这两项工作“在技术上都极具挑战性”。
杜尔曼说，GSI目前已经停止了寻找新元素的工作，因为这家机构正在安装一台反质子和离子研究设备的加速器，用于研究天体物理现象，超重元素研究工作因此被搁置下来。
奥加涅相说，与此同时，JINR的研究人员也在2014年底“几乎停止了”对元素的探索。在过去的5年中，他们集中精力建造了一个实验室，奥加涅相称之为超重元素工厂，生产已知元素的数量可以是原来的数十倍或数百倍。奥加涅相表示，该实验室可以同时开展5项实验，还计划从2019年4月开始进行两项为期50天的演示，生产第114号和第115号元素。
几年前，伯克利研究小组就放弃了寻找元素。盖茨说:“人们经常讨论我们是否应该尝试制造一种新元素，但是我认为，通过对目前已知元素进行更详细的研究，可以更好地利用现有的束流时间。”
理化学研究所仍在寻找元素，但同时也在巩固我们对现有元素的了解。该中心超重元素生产团队的负责人宽宏光表示，他的团队将研究第104号、第105号和第106号元素的化学性质。
周期性的终结？
大多数研究人员认为，探索已知元素的化学性质和核物理性质与制造新元素一样有价值。一个关键问题是，超重元素在多大程度上维持了构成门捷列夫元素周期表基础的化学性质的周期性。元素的化学性质取决于其最外层电子的反应性。在原子中，电子占据着不同的轨道。这些轨道环绕着原子核，而能量最高的轨道在形成化学键和离子的过程中发挥了作用。元素周期表中位于同一列的元素（同族物）具有相似的化学性质，因为它们的电子构型相似，最外层的电子数也相同。
例如，在形成化合物时，钅喜(第106号）被认为与元素周期表中位于其上方的元素（如钼和钨）相似，其中最外层的6个电子被共享或转移到周围的原子中。20年前，化学家们将钅喜快速运送到一个反应室，使其化合物能够被气相色谱和液相色谱分离出来，从而证明了这一点。由于其放射性不稳定，原子在各化学阶段均可追踪，它们在衰变时会爆发α粒子。目前还没有人研究除钅喜之外的液相反应，但研究已经证明，钅黑（第108号）与其同族物锇一样，可以在气体载体中与4个氧原子结合，形成四氧化钅黑。
但是，针对最重的超重元素开展此类实验极其困难。GSI的理论化学家瓦莱里娅·珀什纳（Valeria Pershina）说，这类实验目前需要半衰期不少于1秒的同位素，而且是否具有可行性还取决于原子产生的速度。尽管瑞士伯尔尼大学放射化学家安德里亚斯·图尔勒（Andreas Türler）说他相信第109号和第111号元素存在同位素，但目前还没有发现这些寿命可以进行化学研究的同位素。他说：“困难在于要以能够开展实验的速度进行生产。”
然而，一些更重的元素被证明可以用于其他类型的化学研究。例如，用一种相对简单的技术来探测超重元素，可以测量原子在周围气体中附着在物体表面的强度。GSI的实验表明，钅夫（第114号）在金表面可形成类似于其同族物铅的金属﹣金属键，但这种键要弱得多。换句话说，超重元素的反应性更低，更稳定。与此同时，钅哥（第112号）与金的相互作用远不如它的同族物汞强烈。钅尔（第113号）更难进行实验研究，但JINR的初步观察以及珀什纳的计算表明，它与金表面形成的化学键相对较强，尽管要弱于其同族物铊。
在某种程度上，这也是意料之中的事：同族元素中，随着原子的增大，化学键的强度减小。但是要充分解释超重元素的化学性质，珀什纳的计算还必须考虑相对论效应。在原子量非常大的原子中，位于最里层的电子和原子核之间有超强的相互作用，其电子的运行速度非常快（可能超过光速的80%），从而导致它们的质量增加——狭义相对论预测到了这一点。这使它们更靠近原子核，也意味着它们可以更有效地屏蔽外层电子。这改变了外层电子的能量，从而改变其化学反应性。
相对论的极端
相对论效应已经为人所知。例如，金的微黄色和汞的低熔点均是因为相对论效应所致。超重元素表现出这些极端效应很难根据基本原理精确计算。沙德尔说，研究人员在2002年发现了相对论效应如何导致钅杜（第105号）的性质与同族物钽大相径庭。这一发现令科学家兴奋不已，它为我们继续探索超重元素的化学性质提供了巨大动力。
杜尔曼说，化学家们并不认为到目前为止观测到的相对论偏差可以否定一个广为接受的观点，即同一族元素具有使其有别于其他族元素的相似性质。在他看来，研究人员在找到第120号之后的元素前，不会发现明显的化学周期性消失。对此，他这样解释：“几个轨道的能量开始变得非常接近，以至于不再出现有规律的模式。”这一趋势似乎已经在2018年的计算中得到了证实。该计算表明，
可能不像它的同系物氙和氡那样是一种惰性气体。它最外层的电子轨道已变得模糊，因此它的反应性可能比它在元素周期表上的位置所显示的还要强。
肯尼斯·格雷戈里希（Kenneth Gregorich）和盖茨在加州劳伦斯伯克利国家实验室查阅超重元素寿命表
长期以来，物理学家和化学家一直利用光谱直接测量电子能级。从本质上说，这涉及向原子发射光，以测量当粒子跃迁到高的能级或低的能级时，电子吸收光子和发射光子的能量。但是在单个寿命很短的原子上做这个实验极具挑战性：在标靶消失之前，如何以足够的灵敏度进行测量？但在2016年，GSI的一个团队测量出了半衰期为51.2秒的第102号元素锘的单个原子的电离势。研究人员用钙离子束轰击铅靶，然后减慢氩气中原子的速度，使它们聚集在钽丝上，以每秒4个左右的速度制造了诺原子。研究人员周期性地采用二步法将电子激活：先加热钽丝，使其释放出的锘原子变成气相，然后用激光将其激发，而这一切都发生在几秒钟之内。在后来的工作中，他们利用这种光谱测量数据来推断三种锘同位素的原子核的形状和结构，最后得出结论：它们不是球形，而是橄榄球形——一种影响电子结构的畸变。目前，该团队正在努力将测量范围扩大到第103号元素铹。
日本原子能机构（JAEA）的研究人员开发了一种不同的电离能测量方法。在他们的装置中，超重元素的原子从标靶中反冲出来，在氦气载体射流通过一根加热钽管时被捕获。原子将电子转移到金属表面，然后被送到一个验证其特性的α粒子探测器中。日本原子能机构重元素核科学研究小组成员咏裕一郎表示：“通过这种方法，我们可以测量半衰期只有几秒的元素的电离能。”咏裕一郎和他的同事用这种方法测量了从镄（第100号）到铹（第103号）的电离能。正如计算所预测的那样，相对于原子量较轻的同族元素镥，相对论效应使铹的电离势比通常的周期趋势所表现的要低。咏裕一郎介绍说，他的团队目前正在开发一种新的方法来测量铹之后的元素的电离势，因为这些元素的挥发性不足以使这种表面技术得以应用。
元素分解
即使第118号元素之后的元素可以被制造出来，研究它们的化学性质也将是一个巨大的挑战，因为人们预计它们会很快分解。奥加涅相表示：“我不会说这是不可能发生的事情，但目前我还不知道如何完成这项任务。”
然而，核科学家推测，能够长期存在的超重同位素可能存在。和电子一样，原子核中的质子和中子也以壳层构型排列，这使得它们的结构或多或少容易被破坏。根据预测，填满壳层的粒子数量是特定的“神奇数字”，这使其具有稳定性，从而在原子衰变之前延长其存在时间。这一效应大致类似于惰性气体的相对稳定性和非反应性，因为其电子壳层被填满了。
稳定超重元素的主要候选元素是同位素钅夫-298，它有114个质子和184个中子。鲁道夫介绍说：“大多数合理的模型显示，这一质子和中子数量就是能够为该区域带来稳定性的数量。”研究人员希望，在这个稳定岛上的特定同位素能够持续存在足够长的时间，使大量元素积累起来。杜尔曼则表示，钅哥和钅夫的一些同位素的半衰期较长，这表明上述想法是正确的，更多的耐久同位素尚待发现。虽然实验证明稳定岛的确存在，但GSI的核化学家塞巴斯蒂安·雷德尔（Sebastian Raeder）表示：“它很难在短时间内实现。”因为没有人知道如何将那么多中子装入原子核。
卡特里纳·乌尔曼（Cathrina Ullman）站在德国GSI重离子研究中心加速离子仪器内
有时，研究人员会讨论元素周期表会在什么地方终止。这种事可能会发生，因为原子量非常大的原子的最外层电子可能不存在任何与原子核实际结合的状态，所以根本没有真正的化学性质可言。或者原子核一旦形成就会分裂。2018年5月，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）重申了其立场：一种元素至少应该存在10-14秒。但一些化学家质疑：没有时间相互作用的原子能否被赋予有意义的化学性质，从而成为一种元素？
这实际上是在问：在最极端的情况下，元素周期表是否会像当初门捷列夫所理解的那样，仍然是一个以化学为基础的体系？或者它是否会变成一个以非常高的核子密度为基础的物质物理学体系？新元素必须排列在周期表的某个位置，但它们的位置可能会变成一种摆设，而不是用来表示有关其化学性质的有用信息。
然而，为了达到这一目标，化学家们需要创造出那些更重的元素。尽管技术难度很大，但寻找工作仍在继续。理化学研究所的研究员英人伊岛说：“我们从去年6月开始寻找第119号元素。这肯定要花很长时间，也许是年复一年，每年100天或更长时间，但我们仍然会继续开展相同的实验，直到我们或其他人发现它为止。”
杜尔曼说:“我非常乐观地认为，第119号和第120号元素将在未来10年内被发现。长期前景看起来似乎不那么光明，但在20世纪90年代我还是一名博士生时，看过该领域的‘大牛’们发表的一些关于解释为什么第112号元素已经接近极限的论文。而在20年后，我们有了第118号元素，所以我想我们不应低估下一代。”
资料来源 Nature