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超重元素以及超重稳定岛[量子分子动力学之家]
超重元素以及超重稳定岛
 更新时间:2010/11/11 21:21:46  点击数:3179
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赵恩广 (中国科学院理论物理研究所)

 

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6,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,就是铀238吸收17个中子,再经过8次衰变而得到。但是,对于比100号元素镄还元素,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,是用如下的热熔合反应合成的,
249Cf+48Ca→294118 + 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,以前的元素得到了国际组织的命名。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命名有建议权。为了争得这个荣誉,有时就有些不择手