超重元素和超重穩(wěn)定島

作者簡介：中國科學(xué)院理論物理研究所研究員，博士生導(dǎo)師。1963年畢業(yè)于吉林大學(xué)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(xué)會核結(jié)構(gòu)專業(yè)委員會主席和副主席。長期從事極端條件下的核結(jié)構(gòu)，核天體物理中的中子星性質(zhì)及核內(nèi)非核子自由度的研究。主持多項國家級科學(xué)項目，其中研究項目“高自旋與超變形核態(tài)的研究”1993年獲原國家教委科技進(jìn)步二等獎，“原子核與超核性質(zhì)的介子探針研究”1997年獲原國家教委科技進(jìn)步二等獎，“原子核的奇特性質(zhì)及新集體轉(zhuǎn)動模式的研究”2000年獲教育部自然科學(xué)一等獎。

1 什么是超重元素和超重穩(wěn)定島

1869年2月17日，俄羅斯化學(xué)家門捷列夫首次公布了他所排列的元素周期表。當(dāng)時，只有63種元素。1894~1900年，惰性氣體氬，氦，氖，氪，氙和氡陸續(xù)被人們發(fā)現(xiàn)。據(jù)此，門捷列夫又改進(jìn)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(fā)現(xiàn)或在實(shí)驗(yàn)室里產(chǎn)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(xué)上的奇跡?？墒?，周期表的奇跡，并沒有停留在經(jīng)驗(yàn)規(guī)律的水平上。隨著量子力學(xué)的建立，原子的電子殼層結(jié)構(gòu)被揭示出來。人們發(fā)現(xiàn)，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(zhǔn)確地反映了原子的微觀結(jié)構(gòu)。元素周期表構(gòu)筑了元素自然分類的完整體系，揭示了元素之間的內(nèi)在聯(lián)系，成為宇宙最基本的規(guī)律之一。為紀(jì)念門捷列夫的杰出貢獻(xiàn)，把1955年在美國的Berkley實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的101號元素，命名為Mendelevium (Md，中文譯為鍆)。到上世紀(jì)末，已經(jīng)有110多種元素被發(fā)現(xiàn)或人工產(chǎn)生。 如果把他們的同位素都統(tǒng)計在一起， 已經(jīng)有3000多種核素被發(fā)現(xiàn)或人工產(chǎn)生(每個元素或其同位素對應(yīng)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(guān)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(zhì)子和中子。對此， 原子核物理學(xué)家已經(jīng)研究了多年。把中子和質(zhì)子束縛在一起的是力程很短的強(qiáng)相互作用，即核力。它所引起的位能近似正比于粒子數(shù)N。但是，質(zhì)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(zhì)子數(shù)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(dǎo)地位。當(dāng)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(jù)原子核的液滴模型，當(dāng)一個原子核中的質(zhì)子數(shù)目超過106時，這種情況就要發(fā)生。也就是說，原子序數(shù)似乎不能超過106。不過，當(dāng)人們應(yīng)用更合理的模型做估算時，特別是考慮到原子核結(jié)構(gòu)的殼層效應(yīng)后， 原子序數(shù)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(xí)慣上，人們把原子序數(shù)小于20的原子核叫輕核，原子序數(shù)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(jù)的區(qū)域，稱為超重穩(wěn)定島。從上世紀(jì)60年代起，人們就開始研究這些原子核的性質(zhì)及其產(chǎn)生途徑。超重元素的性質(zhì)以及超重穩(wěn)定島的存在與否，是對目前的原子核理論的重要檢驗(yàn)。如果超重穩(wěn)定島確實(shí)存在， 這些元素和原子核的性質(zhì)如何， 則不僅是對當(dāng)前物理界的挑戰(zhàn)，對化學(xué)界的挑戰(zhàn)，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(lǐng)域之一，還是自然科學(xué)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(wěn)定島的理論預(yù)言推動下，實(shí)驗(yàn)核物理學(xué)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(jù)一些理論估計，穩(wěn)定島內(nèi)的有些元素可能在5億年前，即在我們的太陽系進(jìn)行最后核合成時就已經(jīng)形成，其中一些長壽命的元素應(yīng)該在地殼中仍能找到它們的蹤跡?；谶@一觀點(diǎn)，各國的一些學(xué)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(jié)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(shí)驗(yàn)室里合成超重元素的主要進(jìn)展

既然在自然界尋找不成功， 人們就轉(zhuǎn)向在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)去產(chǎn)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(yīng)堆的強(qiáng)流中子的輻照下， 通過中子俘獲，再β-衰變， 從而使靶核的質(zhì)子數(shù)增加來產(chǎn)生的。這些工作，主要是上個世紀(jì)中期在美國的Berkeley實(shí)驗(yàn)室進(jìn)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(jīng)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?yàn)榱炎兊奶崆鞍l(fā)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(yīng)來產(chǎn)生超重元素。所謂重離子反應(yīng)， 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(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系到質(zhì)心坐標(biāo)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(chǎn)生超重元素。經(jīng)過多年的努力發(fā)現(xiàn)， 雖然這種反應(yīng)的產(chǎn)物很多， 卻總是找不到更重的產(chǎn)物。這時， 人們開始認(rèn)真地研究重離子核反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)制， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩個質(zhì)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(zhì)量相差較大的原子核相撞， 通過兩核熔合的機(jī)制來合成超重元素。熔合反應(yīng)又分為冷熔合和熱熔合。在冷熔合中，形成的超重核的激發(fā)能比較低; 一般蒸發(fā)1-2個中子， 就可以到達(dá)原子核的基態(tài)。而熱熔合反應(yīng)生成的復(fù)合核的激發(fā)能比較高， 要蒸發(fā)3-4個中子， 才能退激到基態(tài)。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(yīng)合成的。例如， 剛命名為Rg的111號元素的生成反應(yīng)是，

64Ni +208Pb →272Rg + n。

在俄羅斯的杜布納聯(lián)合核子研究所， 則喜歡用熱熔合反應(yīng)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(fā)表的118號元素， 是用如下的反應(yīng)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(yīng)的截面很低。比如， 在日本用冷熔合生成的113號元素，是經(jīng)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(shù)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(zhì)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(zhì)量和電荷數(shù)。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(zhǔn)確地得到超重核的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)。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(jié)果都需要進(jìn)一步的確認(rèn)。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(rèn)可，111號以前的元素得到了國際組織的命名。

現(xiàn)在， 人們已經(jīng)合成到113號元素或者把杜布納的結(jié)果也包括進(jìn)來，似乎已經(jīng)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(wěn)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(yù)言的長壽命的114號元素的原子核應(yīng)當(dāng)為298114， 即杜布納的結(jié)果離穩(wěn)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(xiàn)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(dá)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(wěn)定島必須克服的重大難題。

當(dāng)然， 增大加速器的流強(qiáng)，提高探測器的靈敏度，探索新的合成機(jī)制，進(jìn)一步明確超重穩(wěn)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(jìn)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(jù)是，108號元素的化學(xué)性質(zhì)與鋨相似。但是，至今未見其結(jié)果的報道。

5 美國Berkeley國家實(shí)驗(yàn)室的丑聞

由于合成超重元素的重大科學(xué)意義，在這個領(lǐng)域中的國際競爭是很激烈的。最先合成或發(fā)現(xiàn)元素的實(shí)驗(yàn)室，對其命

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

86Kr +208Pb → 293118 + n，

再由293118經(jīng)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(xué)家。接著，德國的GSI在同樣的條件下，重復(fù)這個實(shí)驗(yàn)。但是， GSI卻得不到這兩個元素。隨后，日本和法國也重復(fù)了這個實(shí)驗(yàn)， 他們也宣布，無法得到Berkeley的結(jié)果。面對國際上的廣泛懷疑， Berkeley實(shí)驗(yàn)組只好在2001年4月重做這個實(shí)驗(yàn)。據(jù)說， 這次在分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時，是好幾個人分別進(jìn)行的。而1999年的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，是由Ninov 一個人做的。這次數(shù)據(jù)分析結(jié)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(jié)果表明， 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中并沒有上次實(shí)驗(yàn)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(yán)重了。以后，又經(jīng)過兩個工作組的檢驗(yàn)與復(fù)核，最終得出結(jié)論，1999年的實(shí)驗(yàn)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(shù)據(jù)而被Berkeley實(shí)驗(yàn)室解雇。事件似乎到此就結(jié)束了。但是，學(xué)術(shù)界對此仍然有疑問， 事件的責(zé)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(fā)現(xiàn)118號元素的這么重要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，該實(shí)驗(yàn)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(jìn)展情況

在重元素的合成上，美國的Berkeley 實(shí)驗(yàn)室起著先驅(qū)的作用。超鈾元素的大部分是在這里發(fā)現(xiàn)或確認(rèn)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(chǎn)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(shè)備SHIP，使得他們可以分離壽命短至幾個微秒的蒸發(fā)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(shù)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(lǐng)域中遙遙領(lǐng)先。

但是，在合成了112號元素以后，他們的進(jìn)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(dāng)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(jié)果都需要進(jìn)一步確認(rèn)。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?zhǔn)沁B接到已知原子核的。這樣，日本成了發(fā)現(xiàn)超重元素的第一個亞洲國家。

我國的實(shí)驗(yàn)核物理學(xué)家，特別是中國科學(xué)院近代物理所的實(shí)驗(yàn)家們，近十幾年來在產(chǎn)生新核素方面，進(jìn)行了卓有成效的努力。先后，共發(fā)現(xiàn)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?nèi)匀涣⒆阌诒緡默F(xiàn)實(shí)，積極努力地開展研究工作，已經(jīng)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(shí)驗(yàn)核物理學(xué)家第一次進(jìn)入超重領(lǐng)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(qū)域，填寫上了中國人的數(shù)據(jù)。我們的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)

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(shí)驗(yàn)。日本在2004年合成的113號超重新元素，就有兩位中國的實(shí)驗(yàn)學(xué)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(jìn)展是比較顯著的。北京大學(xué)，南京大學(xué)，北京師范大學(xué)，原子能研究院的很多學(xué)者，都先后開展了超重核結(jié)構(gòu)和反應(yīng)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(yīng)進(jìn)行了比較深入系統(tǒng)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(shí)驗(yàn)家，建立了很好的交流與合作關(guān)系。目前，他們正在與我國的實(shí)驗(yàn)家密切配合，探討制訂我國在超重領(lǐng)域內(nèi)取得突破性進(jìn)展的研究計劃和實(shí)驗(yàn)方案。

(欄目編輯廖伯琴)

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