穩(wěn)定島-簡介

穩(wěn)定島理論是核子物理中的一個理論推測，核物理學家推測具有“魔數(shù)”數(shù)目的質(zhì)子和中子的原子核的化學元素特別穩(wěn)定。假如這個猜測正確的話，那么特定的超鈾元素的同位素比其它同位素要穩(wěn)定，這些同位素的放射性衰變過程可能非常慢。

理論

穩(wěn)定島理論最初是格倫·西奧多·西博格提出的。他認為原子核中的核子與原子核外的電子一樣是分布在不同的“殼”中的，實際上每個殼就是一組相近的量子能級。不同殼之間的能量的差別則比較大。假如一個原子核中的質(zhì)子和中子正好填滿了一個殼的話，那么每個核子之間的結(jié)合能就最小，因此這個核就最穩(wěn)定，這個核比其附近核子沒有填滿或超出一個殼的同位素要穩(wěn)定。

飽和的殼的中子和質(zhì)子數(shù)被稱為“魔數(shù)”( 也稱為“幻數(shù)”)。一個可能的中子魔數(shù)是184，可能的質(zhì)子魔數(shù)是114、120和126，也就是說，uuq-298、ubn-304和ubh-310可能比較穩(wěn)定。這些同位素至今為止未能被合成。但uuq的帶有114個質(zhì)子和少于184個中子的同位素比元素周期表中鄰近的元素的同位素的衰變要慢得多。

穩(wěn)定島理論非?？赡芤廊皇欠派湫栽?，它們相對于其附近的同位素“比較穩(wěn)定”，雖然有人懷疑有些同位素的半衰期可能大于一日或甚至更長，但很可能它們的半衰期依然小于一秒。

但是，也有推測指出，在越過數(shù)個放射性穩(wěn)定島之后，可能存在超級穩(wěn)定島——一個或數(shù)個穩(wěn)定同位素、或者一些較長半衰期放射性元素。

特點

處于穩(wěn)定島的元素非常可能依然是放射性元素，只是它們相對于其附近的同位素“比較穩(wěn)定”，雖然有人懷疑有些同位素的半衰期可能大于一日或甚至更長，但很可能它們的半衰期依然小于一秒，而在目前發(fā)現(xiàn)的元素中,289Uuq的半衰期為30秒，285Cn的半衰期為11秒，Uuh的半衰期有0.05秒,跟附近的元素比起來，的確是很驚人的。

研究歷程

在超重穩(wěn)定島的理論預(yù)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(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，即在太陽系進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，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(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。

既然在自然界尋找不成功，人們就轉(zhuǎn)向在實驗室內(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，主要是二十世紀中期在美國的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(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。因為裂變的提前發(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。如果考慮到實驗室坐標系到質(zhì)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(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，人們開始認真地研究重離子核反應(yīng)的反應(yīng)機制，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，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。2006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。

面臨困難

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，實驗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。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)果都需要進一步的確認。到2010年，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。

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，科學家還找不到這樣的“彈靶”組合。實驗中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(wěn)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(wěn)定島的位置，似乎也是要解決的重要問題。但是，在這幾個方向上短期難以有重要進展。

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(jù)是，108號元素的化學性質(zhì)與鋨相似。但是，至今未見其結(jié)果的報道。

美國Berkeley丑聞

由于合成超重元素的重大科學意義，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)元素的實驗室，對其命名有建議權(quán)。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(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家。接著，德國的GSI在同樣的條件下，重復(fù)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(fù)了這個實驗，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實驗組只好在2001年4月重做這個實驗。據(jù)說，這次在分析實驗數(shù)據(jù)時，是好幾個人分別進行的。而1999年的實驗數(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，實驗數(shù)據(jù)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(jīng)過兩個工作組的檢驗與復(fù)核，最終得出結(jié)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(shù)據(jù)而被Berkeley實驗室解雇。事件似乎到此就結(jié)束了。但是，學術(shù)界對此仍然有疑問，難道事件的責任的只是Ninov一個人。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驗數(shù)據(jù)，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?！?/p>

研究進展

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科學家已知的幻數(shù)有2、8、20、28、50、82、126，幻數(shù)附近的核具有較高的穩(wěn)定性。宏觀微觀模型和自洽的相對論平均場理論預(yù)言，質(zhì)子數(shù)108和中子數(shù)162也是幻數(shù)。因此270Hs是具有雙幻數(shù)結(jié)構(gòu)的“雙幻核”，合成和鑒別雙幻核及研究其衰變性質(zhì)，對檢驗超重元素的核結(jié)構(gòu)理論具有重要的意義。

在重元素的合成上，美國的Berkeley 實驗室起著先驅(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(jié)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(fā)現(xiàn)超重元素的第一個亞洲國家。

2010年10月26日，美國能源部勞倫斯伯克利(Berkeley)國家實驗室宣布，該實驗室的科研小組發(fā)現(xiàn)了部分超重元素的6種同位素。據(jù)悉，科學家此次在獲得了還未命名的第114號元素的新同位素后，通過觀察α粒子連續(xù)性輻射，又發(fā)現(xiàn)了第112號元素(copernic-Ium)、第110號元素(darmstadtium)、第108號元素(hassium)、第106號元素(seaborgium)和第104號元素(rutherfordium)的5種同位素。此項研究成果發(fā)表在2010年10月29日出版的《物理評論快報》上。

發(fā)現(xiàn)超重元素同位素科研小組的負責人為勞倫斯伯克利國家實驗室核科學部重元素原子核與輻射化學組組長海諾·尼奇，他同時還是加州大學伯克利分?；瘜W教授。研究文章第一作者為伯克利分校化學系研究生保羅·埃里森，他負責對具體實驗提出建議并進行管理。尼奇表示，借助實驗室的88英寸(約2.2米)回旋加速器，他們對鈣48(48Ca)進行加速并撞擊充氣分離器中的钚242，從而獲得了新的超重元素的同位素。這與他們2009年證實第114號元素存在時的實驗布置類同。

科研小組共有20名成員，他們來自美國勞倫斯伯克利國家實驗室、加州大學伯克利分校、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室、俄勒岡州立大學、德國GSI亥姆霍茲重離子研究中心以及挪威能源技術(shù)研究所。他們中的許多人曾參與了2009年9月第114號元素的確認研究。第114號元素于10年前由俄羅斯杜布納聯(lián)合原子核研究所的科學家分離出來，但直到去年才被確認。這一發(fā)現(xiàn)使人類進一步接近認識“穩(wěn)定島理論”。

中國研究現(xiàn)狀

中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，在產(chǎn)生新核素方面，進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，由于中國的加速器和探測器，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，特別是要在中國合成新元素，是有很大困難的。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， 這是中國實驗核物理學家第一次進入超重領(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)。中國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。

中國的超重理論研究約比國外晚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(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的實驗家，建立了很好的交流與合作關(guān)系。他們正在與中國的實驗家密切配合，探討制訂中國在超重領(lǐng)域內(nèi)取得突破性進展的研究計劃和實驗方案。