超重元素和超重稳定岛

作者简介：中国科学院理论物理研究所研究员，博士生导师。1963年毕业于吉林大学物理系，1963－1967年是两弹元勋于敏先生研究生，从1992年起任中国核物理学会核结构专业委员会主席和副主席。长期从事极端条件下的核结构，核天体物理中的中子星性质及核内非核子自由度的研究。主持多项部级科学项目，其中研究项目“高自旋与超变形核态的研究”1993年获原国家教委科技进步二等奖，“原子核与超核性质的介子探针研究”1997年获原国家教委科技进步二等奖，“原子核的奇特性质及新集体转动模式的研究”2000年获教育部自然科学一等奖。

1 什么是超重元素和超重稳定岛

1869年2月17日，俄罗斯化学家门捷列夫首次公布了他所排列的元素周期表。当时，只有63种元素。1894~1900年，惰性气体氩，氦，氖，氪，氙和氡陆续被人们发现。据此，门捷列夫又改进了元素周期表。从那时起的五十多年的时间里，又有三十多种元素被发现或在实验室里产生。所有这些元素，都能成功地安排在门捷列夫的元素周期表里。这真是一个科学上的奇迹。可是，周期表的奇迹，并没有停留在经验规律的水平上。随着量子力学的建立，原子的电子壳层结构被揭示出来。人们发现，元素的周期性完全与核外电子壳层的周期性一致。也就是说，周期表的这些惊人的成就，深刻而准确地反映了原子的微观结构。元素周期表构筑了元素自然分类的完整体系，揭示了元素之间的内在联系，成为宇宙最基本的规律之一。为纪念门捷列夫的杰出贡献，把1955年在美国的Berkley实验室产生的101号元素，命名为Mendelevium (Md,中文译为钔)。到上世纪末,已经有110多种元素被发现或人工产生。 如果把他们的同位素都统计在一起, 已经有3000多种核素被发现或人工产生(每个元素或其同位素对应的每种原子核, 称为一个核素)。

但是，元素周期表也留给人类一个巨大的悬念：它有没有尽头。如果有，那么，尽头在哪里，最重的元素的原子序号是多少？回答这个问题的关键, 是位于原子中心的原子核能有多重, 它最多能有多少个质子和中子。对此, 原子核物理学家已经研究了多年。把中子和质子束缚在一起的是力程很短的强相互作用,即核力。它所引起的位能近似正比于粒子数N。但是,质子之间还有力程很长的库仑排斥力。它所引起的位能近似正比于质子数目Z的平方。这就是说, 在原子核不太重时,核力造成的吸引位能占主导地位。当原子核很重时, 长程的库仑排斥作用,就有可能超过核子之间的短程吸引作用。根据原子核的液滴模型,当一个原子核中的质子数目超过106时,这种情况就要发生。也就是说,原子序数似乎不能超过106。不过,当人们应用更合理的模型做估算时,特别是考虑到原子核结构的壳层效应后, 原子序数不但可以超过106,而且在114到120之间,可能会有一些寿命很长的原子核。习惯上，人们把原子序数小于20的原子核叫轻核，原子序数80左右的原子核叫重核。而103或105号元素以后的原子核，就叫超重原子核。这些长寿命的超重原子核在核素表中所占据的区域,称为超重稳定岛。从上世纪60年代起，人们就开始研究这些原子核的性质及其产生途径。超重元素的性质以及超重稳定岛的存在与否，是对目前的原子核理论的重要检验。如果超重稳定岛确实存在, 这些元素和原子核的性质如何, 则不仅是对当前物理界的挑战,对化学界的挑战,还会给宇宙中元素的合成,星体演化带来重大的影响。因此,对超重元素的研究, 不仅是核物理的重大前沿领域之一，还是自然科学的一个重要的基本问题。

2 在自然界寻找超重元素

在超重稳定岛的理论预言推动下，实验核物理学家开展了大量的研究工作。

首先，人们开始在自然界寻找超重元素或者超重元素的痕迹。根据一些理论估计，稳定岛内的有些元素可能在5亿年前，即在我们的太阳系进行最后核合成时就已经形成，其中一些长寿命的元素应该在地壳中仍能找到它们的踪迹。基于这一观点，各国的一些学者努力从自然界的各种矿物中去寻找超重元素或者它们的裂变事件。诸如方铅矿，金矿石，铂矿砂，海底的锰结核, 月球岩石以及由太空飞落到地球上的陨石, 都被分析过。但是,这些努力全都以失败告终。

3 在实验室里合成超重元素的主要进展

既然在自然界寻找不成功, 人们就转向在实验室内去产生它们。比铀重的元素,直到100号元素镄, 基本都是将靶核放在反应堆的强流中子的辐照下, 通过中子俘获,再β-衰变, 从而使靶核的质子数增加来产生的。这些工作,主要是上个世纪中期在美国的Berkeley实验室进行的。例如1952年第一次合成的100号元素镄的同位素255Fm, 就是铀238吸收17个中子, 再经过8次β-衰变而得到。但是, 对于比100号元素镄还重的元素, 上面的办法就不行了。因为裂变的提前发生, 使中子俘获的过程中断了。

最后, 人们把主要的精力放在用加速器, 通过重离子反应来产生超重元素。所谓重离子反应, 就是用加速器加速一个比较重的原子核, 使它与另一个重的原子核相碰撞。由于原子核是带正电的, 要它们相撞, 就必须要克服它们之间的库仑斥力(又叫库仑位垒)。这个能量, 是由加速器加速一个原子核来得到。比如,48Ca和243Am之间的库仑位垒约为236MeV。人们就至少要把48Ca加速到动能为236MeV, 才能使这两个原子核靠近并相撞。如果考虑到实验室坐标系到质心坐标系的变换,这个能量还要高一些。

一开始, 人们试图用两个很重的原子核相撞, 比如,用铀核与铀核相撞, 来产生超重元素。经过多年的努力发现, 虽然这种反应的产物很多, 却总是找不到更重的产物。这时, 人们开始认真地研究重离子核反应的反应机制, 结果发现两个质量几乎相等的重原子核相撞, 碎裂或者再度离开的几率非常大,很不利于超重元素的形成。因此, 提出了用两个质量相差较大的原子核相撞, 通过两核熔合的机制来合成超重元素。熔合反应又分为冷熔合和热熔合。在冷熔合中,形成的超重核的激发能比较低; 一般蒸发1-2个中子, 就可以到达原子核的基态。而热熔合反应生成的复合核的激发能比较高, 要蒸发3-4个中子, 才能退激到基态。107-112号元素, 就都是在德国的GSI（德国重离子物理中心）用冷熔合反应合成的。例如, 刚命名为Rg的111号元素的生成反应是,

64Ni +208Pb 272Rg + n。

在俄罗斯的杜布纳联合核子研究所, 则喜欢用热熔合反应来合成超重元素。113, 114, 115,116和118号元素就是在那里用热熔合来合成的。今年10月所发表的118号元素, 是用如下的反应合成的,

249Cf +48Ca294118 + 3n。

4 合成超重元素的一些困难

首先是合成超重元素的重离子熔合反应的截面很低。比如, 在日本用冷熔合生成的113号元素,是经过近一年的时间,共用有效束流时间80多天, 才得到几个原子。

其次,到目前为止所生成的超重元素及其同位素的寿命都很短,大多在秒和毫秒的量级。数量少和寿命短, 就给探测带来很大的困难,无法直接测量它们的质量和电荷。目前,都是测量它们的α衰变链来推断出超重核的质量和电荷数。这就要求α衰变链的终端是一个已知的原子核,人们才能准确地得到超重核的质量数和电荷数。遗憾的是, 在杜布纳用热熔合得到的所有超重元素及其同位素, 没有一个α衰变链的终端是已知的原子核。因此, 他们的所有结果都需要进一步的确认。到目前,只有在GSI合成的107-112号元素及其同位素和在日本RIKEN合成的113号元素,得到了国际上的认可,111号以前的元素得到了国际组织的命名。

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现在, 人们已经合成到113号元素或者把杜布纳的结果也包括进来,似乎已经合成了很多超重元素。但是, 它们的寿命都很短,最长的也不到一个小时。这也就是说,人们得到了超重元素, 但并没有登上超重稳定岛。其主要原因是, 所有这些核素, 都是缺中子的。以杜布纳合成的289114为例, 它的寿命只有21s。而理论预言的长寿命的114号元素的原子核应当为298114, 即杜布纳的结果离稳定线还缺大约9个中子。为了使合成的超重核不缺中子, 就要用两个丰中子的原子核相熔合。但是,目前还找不到这样的“弹靶”组合。现在常用的丰中子炮弹是48Ca,它是很贵的, 1克的48Ca要20万美圆。为了合成112-116号元素及118号元素的两个原子, 杜布纳在5年的时间里,用掉了14克的48Ca。就是这个昂贵的48Ca, 也还达不到期望的中子丰度。因此,如何使合成的超重核素不缺中子,是攀登超重稳定岛必须克服的重大难题。

当然, 增大加速器的流强,提高探测器的灵敏度,探索新的合成机制,进一步明确超重稳定岛的位置, 似乎也是要解决的重要问题。但是,目前看,在这几个方向上难以有重要进展。

在自然界寻找的困难更大。不过，至今人们也还没有完全放弃努力。2004年杜布纳与法国的一些同行，提出了一个在锇（Os）矿中寻找超重核放射性的计划。其根据是，108号元素的化学性质与锇相似。但是，至今未见其结果的报道。

5 美国Berkeley国家实验室的丑闻

由于合成超重元素的重大科学意义,在这个领域中的国际竞争是很激烈的。最先合成或发现元素的实验室,对其命

名有建议权。为了争得这个荣誉,有时就有些不择手段。著名的Berkeley实验室于1999年8月在美国的物理评论快报上发表文章,宣称他们用如下的冷熔合反应合成了118号元素,

86Kr +208Pb 293118 + n,

再由293118经过α衰变,得到289116。文章署名的作者有15个人, 第一作者是V.Ninov, 其中还有几位国际知名的核物理学家。接着,德国的GSI在同样的条件下,重复这个实验。但是, GSI却得不到这两个元素。随后，日本和法国也重复了这个实验, 他们也宣布,无法得到Berkeley的结果。面对国际上的广泛怀疑, Berkeley实验组只好在2001年4月重做这个实验。据说, 这次在分析实验数据时,是好几个人分别进行的。而1999年的实验数据分析,是由Ninov 一个人做的。这次数据分析结束时,Ninov仍然宣称又观察到118号元素的α衰变链。但其他几个人的分析结果表明, 实验数据中并没有上次实验中的α衰变链,也没有Ninov这次宣称的α衰变链。这样,问题就严重了。以后,又经过两个工作组的检验与复核,最终得出结论,1999年的实验并没有得到116和118号元素。在2002年7月的一期物理评论快报上,刊登了除了Ninov以外的14个人的声明, 宣布撤消1999年的稿件。对于Ninov, 由于伪造数据而被Berkeley实验室解雇。事件似乎到此就结束了。但是,学术界对此仍然有疑问, 事件的责任的只是Ninov一个人吗? 正如最后审查此事件的委员会的报告中所指出的“对于声称发现118号元素的这么重要的实验数据，该实验组中只有一个人来处理，而没有其他人参与，是令人难以相信的。”

6 我国的进展情况

在重元素的合成上,美国的Berkeley 实验室起着先驱的作用。超铀元素的大部分是在这里发现或确认的。如果将103号以上的元素称为超重元素的话,在1969-1974的五年间,104,105和106号元素也是在这里产生的。与此同时，俄罗斯Dubna也先后合成了104和105号元素的几个同位素。德国GSI在1975年建成了重离子直线加速器（UNILAC）和重余核鉴别设备SHIP，使得他们可以分离寿命短至几个微秒的蒸发余核并测量其衰变。从1981年到1996年,他们采用冷熔合手段,先后合成了原子序数为107，108，109，110，111，112等 6种新元素的一系列同位素,在超重元素合成的领域中遥遥领先。

但是,在合成了112号元素以后,他们的进展几乎停了下来。这时, 俄罗斯的杜布纳采用热熔合手段, 合成了113,114,115,116和118号新元素及一些同位素。其成就也是相当引人注目。但是,他们所观测到的这些核素的α衰变链, 没有一个能和已知的原子核相连接。因此, 杜布纳的这些结果都需要进一步确认。在亚洲, 日本于2004年首次合成了113号元素, 他们观测到的α衰变链是连接到已知原子核的。这样,日本成了发现超重元素的第一个亚洲国家。

我国的实验核物理学家，特别是中国科学院近代物理所的实验家们，近十几年来在产生新核素方面，进行了卓有成效的努力。先后，共发现了20多种新核素。但是，由于我们的加速器和探测器，都明显落后于德国、俄罗斯、美国和日本，要开展超重元素的深入而广泛的研究，特别是要在我国合成新元素，是有很大困难的。但是，它们仍然立足于本国的现实，积极努力地开展研究工作，已经取得了令人鼓舞的成果。在2000年，兰州近代物理所成功地合成了105号元素的同位素259Db, 这是我国实验核物理学家第一次进入超重领域。接着在2004年，他们又合成了107号元素的同位素265Bh。这样在核素表中的超重区域，填写上了中国人的数据。我们的实验物理学

家还开展了广泛的国际合作，参与了德国GSI和日本RIKEN（理化研究所）的一些超重实验。日本在2004年合成的113号超重新元素，就有两位中国的实验学家参加。

我国的超重理论研究，大约在10年前才开始，约比国外晚30年左右。但是，由于理论研究受条件的限制较少，取得的进展是比较显著的。北京大学，南京大学，北京师范大学，原子能研究院的很多学者，都先后开展了超重核结构和反应的研究。特别是，以中科院兰州近代物理所和理论物理所部分理论家为主体的超重合作组，对超重熔合反应进行了比较深入系统的研究,取得了很多重要成果。他们还与德国,俄罗斯和日本的理论家,以及德国GSI的实验家,建立了很好的交流与合作关系。目前,他们正在与我国的实验家密切配合,探讨制订我国在超重领域内取得突破性进展的研究计划和实验方案。

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