超重元素和超重穩定島

作者簡介：中國科學院理論物理研究所研究員，博士生導師。1963年畢業于吉林大學物理系，1963－1967年是兩彈元勛于敏先生研究生，從1992年起任中國核物理學會核結構專業委員會主席和副主席。長期從事極端條件下的核結構，核天體物理中的中子星性質及核內非核子自由度的研究。主持多項國家級科學項目，其中研究項目“高自旋與超變形核態的研究”1993年獲原國家教委科技進步二等獎，“原子核與超核性質的介子探針研究”1997年獲原國家教委科技進步二等獎，“原子核的奇特性質及新集體轉動模式的研究”2000年獲教育部自然科學一等獎。

1 什么是超重元素和超重穩定島

1869年2月17日，俄羅斯化學家門捷列夫首次公布了他所排列的元素周期表。當時，只有63種元素。1894~1900年，惰性氣體氬，氦，氖，氪，氙和氡陸續被人們發現。據此，門捷列夫又改進了元素周期表。從那時起的五十多年的時間里，又有三十多種元素被發現或在實驗室里產生。所有這些元素，都能成功地安排在門捷列夫的元素周期表里。這真是一個科學上的奇跡。可是，周期表的奇跡，并沒有停留在經驗規律的水平上。隨著量子力學的建立，原子的電子殼層結構被揭示出來。人們發現，元素的周期性完全與核外電子殼層的周期性一致。也就是說，周期表的這些驚人的成就，深刻而準確地反映了原子的微觀結構。元素周期表構筑了元素自然分類的完整體系，揭示了元素之間的內在聯系，成為宇宙最基本的規律之一。為紀念門捷列夫的杰出貢獻，把1955年在美國的Berkley實驗室產生的101號元素，命名為Mendelevium (Md，中文譯為鍆)。到上世紀末，已經有110多種元素被發現或人工產生。 如果把他們的同位素都統計在一起， 已經有3000多種核素被發現或人工產生(每個元素或其同位素對應的每種原子核， 稱為一個核素)。

但是，元素周期表也留給人類一個巨大的懸念：它有沒有盡頭。如果有，那么，盡頭在哪里，最重的元素的原子序號是多少？回答這個問題的關鍵， 是位于原子中心的原子核能有多重， 它最多能有多少個質子和中子。對此， 原子核物理學家已經研究了多年。把中子和質子束縛在一起的是力程很短的強相互作用，即核力。它所引起的位能近似正比于粒子數N。但是，質子之間還有力程很長的庫侖排斥力。它所引起的位能近似正比于質子數目Z的平方。這就是說， 在原子核不太重時，核力造成的吸引位能占主導地位。當原子核很重時， 長程的庫侖排斥作用，就有可能超過核子之間的短程吸引作用。根據原子核的液滴模型，當一個原子核中的質子數目超過106時，這種情況就要發生。也就是說，原子序數似乎不能超過106。不過，當人們應用更合理的模型做估算時，特別是考慮到原子核結構的殼層效應后， 原子序數不但可以超過106，而且在114到120之間，可能會有一些壽命很長的原子核。習慣上，人們把原子序數小于20的原子核叫輕核，原子序數80左右的原子核叫重核。而103或105號元素以后的原子核，就叫超重原子核。這些長壽命的超重原子核在核素表中所占據的區域，稱為超重穩定島。從上世紀60年代起，人們就開始研究這些原子核的性質及其產生途徑。超重元素的性質以及超重穩定島的存在與否，是對目前的原子核理論的重要檢驗。如果超重穩定島確實存在， 這些元素和原子核的性質如何， 則不僅是對當前物理界的挑戰，對化學界的挑戰，還會給宇宙中元素的合成，星體演化帶來重大的影響。因此，對超重元素的研究， 不僅是核物理的重大前沿領域之一，還是自然科學的一個重要的基本問題。

2 在自然界尋找超重元素

在超重穩定島的理論預言推動下，實驗核物理學家開展了大量的研究工作。

首先，人們開始在自然界尋找超重元素或者超重元素的痕跡。根據一些理論估計，穩定島內的有些元素可能在5億年前，即在我們的太陽系進行最后核合成時就已經形成，其中一些長壽命的元素應該在地殼中仍能找到它們的蹤跡。基于這一觀點，各國的一些學者努力從自然界的各種礦物中去尋找超重元素或者它們的裂變事件。諸如方鉛礦，金礦石，鉑礦砂，海底的錳結核， 月球巖石以及由太空飛落到地球上的隕石， 都被分析過。但是，這些努力全都以失敗告終。

3 在實驗室里合成超重元素的主要進展

既然在自然界尋找不成功， 人們就轉向在實驗室內去產生它們。比鈾重的元素，直到100號元素鐨， 基本都是將靶核放在反應堆的強流中子的輻照下， 通過中子俘獲，再β-衰變， 從而使靶核的質子數增加來產生的。這些工作，主要是上個世紀中期在美國的Berkeley實驗室進行的。例如1952年第一次合成的100號元素鐨的同位素255Fm， 就是鈾238吸收17個中子， 再經過8次β-衰變而得到。但是， 對于比100號元素鐨還重的元素， 上面的辦法就不行了。因為裂變的提前發生， 使中子俘獲的過程中斷了。

最后， 人們把主要的精力放在用加速器， 通過重離子反應來產生超重元素。所謂重離子反應， 就是用加速器加速一個比較重的原子核， 使它與另一個重的原子核相碰撞。由于原子核是帶正電的， 要它們相撞， 就必須要克服它們之間的庫侖斥力(又叫庫侖位壘)。這個能量， 是由加速器加速一個原子核來得到。比如，48Ca和243Am之間的庫侖位壘約為236MeV。人們就至少要把48Ca加速到動能為236MeV， 才能使這兩個原子核靠近并相撞。如果考慮到實驗室坐標系到質心坐標系的變換，這個能量還要高一些。

一開始， 人們試圖用兩個很重的原子核相撞， 比如，用鈾核與鈾核相撞， 來產生超重元素。經過多年的努力發現， 雖然這種反應的產物很多， 卻總是找不到更重的產物。這時， 人們開始認真地研究重離子核反應的反應機制， 結果發現兩個質量幾乎相等的重原子核相撞， 碎裂或者再度離開的幾率非常大，很不利于超重元素的形成。因此， 提出了用兩個質量相差較大的原子核相撞， 通過兩核熔合的機制來合成超重元素。熔合反應又分為冷熔合和熱熔合。在冷熔合中，形成的超重核的激發能比較低; 一般蒸發1-2個中子， 就可以到達原子核的基態。而熱熔合反應生成的復合核的激發能比較高， 要蒸發3-4個中子， 才能退激到基態。107-112號元素， 就都是在德國的GSI（德國重離子物理中心）用冷熔合反應合成的。例如， 剛命名為Rg的111號元素的生成反應是，

64Ni +208Pb →272Rg + n。

在俄羅斯的杜布納聯合核子研究所， 則喜歡用熱熔合反應來合成超重元素。113， 114， 115，116和118號元素就是在那里用熱熔合來合成的。今年10月所發表的118號元素， 是用如下的反應合成的，

249Cf +48Ca→294118 + 3n。

4 合成超重元素的一些困難

首先是合成超重元素的重離子熔合反應的截面很低。比如， 在日本用冷熔合生成的113號元素，是經過近一年的時間，共用有效束流時間80多天， 才得到幾個原子。

其次，到目前為止所生成的超重元素及其同位素的壽命都很短，大多在秒和毫秒的量級。數量少和壽命短， 就給探測帶來很大的困難，無法直接測量它們的質量和電荷。目前，都是測量它們的α衰變鏈來推斷出超重核的質量和電荷數。這就要求α衰變鏈的終端是一個已知的原子核，人們才能準確地得到超重核的質量數和電荷數。遺憾的是， 在杜布納用熱熔合得到的所有超重元素及其同位素， 沒有一個α衰變鏈的終端是已知的原子核。因此， 他們的所有結果都需要進一步的確認。到目前，只有在GSI合成的107-112號元素及其同位素和在日本RIKEN合成的113號元素，得到了國際上的認可，111號以前的元素得到了國際組織的命名。

現在， 人們已經合成到113號元素或者把杜布納的結果也包括進來，似乎已經合成了很多超重元素。但是， 它們的壽命都很短，最長的也不到一個小時。這也就是說，人們得到了超重元素， 但并沒有登上超重穩定島。其主要原因是， 所有這些核素， 都是缺中子的。以杜布納合成的289114為例， 它的壽命只有21s。而理論預言的長壽命的114號元素的原子核應當為298114， 即杜布納的結果離穩定線還缺大約9個中子。為了使合成的超重核不缺中子， 就要用兩個豐中子的原子核相熔合。但是，目前還找不到這樣的“彈靶”組合。現在常用的豐中子炮彈是48Ca，它是很貴的， 1克的48Ca要20萬美圓。為了合成112-116號元素及118號元素的兩個原子， 杜布納在5年的時間里，用掉了14克的48Ca。就是這個昂貴的48Ca， 也還達不到期望的中子豐度。因此，如何使合成的超重核素不缺中子，是攀登超重穩定島必須克服的重大難題。

當然， 增大加速器的流強，提高探測器的靈敏度，探索新的合成機制，進一步明確超重穩定島的位置， 似乎也是要解決的重要問題。但是，目前看，在這幾個方向上難以有重要進展。

在自然界尋找的困難更大。不過，至今人們也還沒有完全放棄努力。2004年杜布納與法國的一些同行，提出了一個在鋨（Os）礦中尋找超重核放射性的計劃。其根據是，108號元素的化學性質與鋨相似。但是，至今未見其結果的報道。

5 美國Berkeley國家實驗室的丑聞

由于合成超重元素的重大科學意義，在這個領域中的國際競爭是很激烈的。最先合成或發現元素的實驗室，對其命

名有建議權。為了爭得這個榮譽，有時就有些不擇手段。著名的Berkeley實驗室于1999年8月在美國的物理評論快報上發表文章，宣稱他們用如下的冷熔合反應合成了118號元素，

86Kr +208Pb → 293118 + n，

再由293118經過α衰變，得到289116。文章署名的作者有15個人， 第一作者是V.Ninov， 其中還有幾位國際知名的核物理學家。接著，德國的GSI在同樣的條件下，重復這個實驗。但是， GSI卻得不到這兩個元素。隨后，日本和法國也重復了這個實驗， 他們也宣布，無法得到Berkeley的結果。面對國際上的廣泛懷疑， Berkeley實驗組只好在2001年4月重做這個實驗。據說， 這次在分析實驗數據時，是好幾個人分別進行的。而1999年的實驗數據分析，是由Ninov 一個人做的。這次數據分析結束時，Ninov仍然宣稱又觀察到118號元素的α衰變鏈。但其他幾個人的分析結果表明， 實驗數據中并沒有上次實驗中的α衰變鏈，也沒有Ninov這次宣稱的α衰變鏈。這樣，問題就嚴重了。以后，又經過兩個工作組的檢驗與復核，最終得出結論，1999年的實驗并沒有得到116和118號元素。在2002年7月的一期物理評論快報上，刊登了除了Ninov以外的14個人的聲明， 宣布撤消1999年的稿件。對于Ninov， 由于偽造數據而被Berkeley實驗室解雇。事件似乎到此就結束了。但是，學術界對此仍然有疑問， 事件的責任的只是Ninov一個人嗎? 正如最后審查此事件的委員會的報告中所指出的“對于聲稱發現118號元素的這么重要的實驗數據，該實驗組中只有一個人來處理，而沒有其他人參與，是令人難以相信的。”

6 我國的進展情況

在重元素的合成上，美國的Berkeley 實驗室起著先驅的作用。超鈾元素的大部分是在這里發現或確認的。如果將103號以上的元素稱為超重元素的話，在1969-1974的五年間，104，105和106號元素也是在這里產生的。與此同時，俄羅斯Dubna也先后合成了104和105號元素的幾個同位素。德國GSI在1975年建成了重離子直線加速器（UNILAC）和重余核鑒別設備SHIP，使得他們可以分離壽命短至幾個微秒的蒸發余核并測量其衰變。從1981年到1996年，他們采用冷熔合手段，先后合成了原子序數為107，108，109，110，111，112等 6種新元素的一系列同位素，在超重元素合成的領域中遙遙領先。

但是，在合成了112號元素以后，他們的進展幾乎停了下來。這時， 俄羅斯的杜布納采用熱熔合手段， 合成了113，114，115，116和118號新元素及一些同位素。其成就也是相當引人注目。但是，他們所觀測到的這些核素的α衰變鏈， 沒有一個能和已知的原子核相連接。因此， 杜布納的這些結果都需要進一步確認。在亞洲， 日本于2004年首次合成了113號元素， 他們觀測到的α衰變鏈是連接到已知原子核的。這樣，日本成了發現超重元素的第一個亞洲國家。

我國的實驗核物理學家，特別是中國科學院近代物理所的實驗家們，近十幾年來在產生新核素方面，進行了卓有成效的努力。先后，共發現了20多種新核素。但是，由于我們的加速器和探測器，都明顯落后于德國、俄羅斯、美國和日本，要開展超重元素的深入而廣泛的研究，特別是要在我國合成新元素，是有很大困難的。但是，它們仍然立足于本國的現實，積極努力地開展研究工作，已經取得了令人鼓舞的成果。在2000年，蘭州近代物理所成功地合成了105號元素的同位素259Db， 這是我國實驗核物理學家第一次進入超重領域。接著在2004年，他們又合成了107號元素的同位素265Bh。這樣在核素表中的超重區域，填寫上了中國人的數據。我們的實驗物理學

家還開展了廣泛的國際合作，參與了德國GSI和日本RIKEN（理化研究所）的一些超重實驗。日本在2004年合成的113號超重新元素，就有兩位中國的實驗學家參加。

我國的超重理論研究，大約在10年前才開始，約比國外晚30年左右。但是，由于理論研究受條件的限制較少，取得的進展是比較顯著的。北京大學，南京大學，北京師范大學，原子能研究院的很多學者，都先后開展了超重核結構和反應的研究。特別是，以中科院蘭州近代物理所和理論物理所部分理論家為主體的超重合作組，對超重熔合反應進行了比較深入系統的研究，取得了很多重要成果。他們還與德國，俄羅斯和日本的理論家，以及德國GSI的實驗家，建立了很好的交流與合作關系。目前，他們正在與我國的實驗家密切配合，探討制訂我國在超重領域內取得突破性進展的研究計劃和實驗方案。

(欄目編輯廖伯琴)

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