超重元素

超重元素是指根據核理論預言可能存在的原子序數大於110的化學元素。相對應的原子核稱為超重核。

超重元素

正文

根據核理論預言可能存在的原子序數大於 110的化學元素。相對應的原子核稱為超重核。自從1940年人工合成93號元素鎿和94號元素鈽以來，元素周期表就開始“延長”。隨著超鈽元素的陸續合成，元素周期表究竟能延長到哪裡的問題很自然地就提到了人們的面前，為了回答這個問題，在1966年前後，核理論工作者根據原子核的殼層模型理論（見核模型）提出了關於超重元素存在的預言。
預言的提出　20世紀20年代末發展起來的原子核殼層模型理論解釋了周期表中具有2、8、20、28、50、82和 126等幻數的核的豐度較大和特別穩定等實驗結果。1948年以來,美國物理學家M.G.邁爾等強調了質子數Z或中子數N為幻數的原子核的特別穩定性。1959年丹麥物理學家S.G.尼爾松等將尼爾松單粒子能級圖外推到Z＝126，顯示出 Z＝114的殼層效應。1960年前後瑞典物理學家s.a.e.約翰松在普遍液滴模型基礎上，利用尼爾松軌道作了殼修正；他的計算證明，在N＝184附近可能存在壽命足夠長的核。1965～1966年邁爾等推廣了液滴模型公式，並在核近似為球形時加以殼修正，從半經驗質量公式出發,預言超重核穩定島的存在。裂變勢壘高達幾兆電子伏。蘇聯物理學家B.M.斯特魯賓斯基發展了殼修正法，提出Z=114為質子幻數。1969年尼爾松等全面系統地進行了計算和討論,得出了Z＝114、N＝184的核298114為雙幻數核，圍繞它可能存在一個由成百個超重核組成的穩定島，其中壽命最長的可達108年。1972年核物理學家 E.O.菲塞特等預測最穩定的超重核自發裂變半衰期可達 1015年。1976年丹麥核物理學家J.朗德魯普等又進一步修正計算模型,預測最穩定的超重核自發裂變或α衰變半衰期約為1年。可見根據不同模型計算出來的超重核半衰期能相差幾十個數量級。1977年美國核物理學家J.R.尼克斯等估計, 由於計算採用單粒子能級圖以及計算模型等因素,使超重核自發裂變半衰期預測值的不確定因子達10±7～10±10。1986年聯邦德國核化學家P.默勒等引進他們提出的殼修正，套用一個半經驗關係式計算超重核的自發裂變或α衰變的半衰期僅為1～2秒,這一結果使得尋找超重元素的研究面臨著十分困難的局面。
尋找途徑　自從60年代中超重元素理論預言提出後，實驗工作者通過以下三種途徑尋找它們：①新建和改建一些重離子加速器,根據各種構想的重離子反應機理,使用更重的入射離子轟擊重元素靶，進行人工合成超重元素。設計並已使用過的核反應有：

但實驗結果都是否定的。②用高空氣球、宇宙飛船等運載工具，帶著核乳膠和其他探測器尋找宇宙射線中可能存在的超重核。曾使用核乳膠疊和核乳膠、聚碳酸酯與醋酸纖維組成的混合疊等探測裝置，升至約40公里高空進行探測，但未獲得肯定結果。③在地球和隕石物質以及月球樣品中,用X射線螢光光譜分析法、質譜法以及各種核探測方法等尋找可能存在的長壽命的超重元素。已尋找的物質包括不同來源的隕石、月岩、月塵、金、銅、鉑、鉛、汞、鉬、鋅、鎳等幾百種礦物，金屬冶煉廠的煙道灰、陽極泥，海底錳結核，以及數以千克計的純鉑、汞、鉛、鎢等樣品。但結果都是否定的。
未發現的原因　為了克服重離子與靶核間的庫侖勢壘，發生全融合反應，就必須提高重離子的能量；提高能量的後果常使剩餘核處於高激發態，很容易發生裂變，因而影響形成超重核。由於重離子反應截面低，需要提高重離子束流強度,至少應再提高三、四個數量級,一般加速器尚無法滿足這一要求。為了實現超重核的人工合成，核化學家提出了用冷融合反應合成超重核的構想。1985年默勒提出下述反應合成271110：
64Ni+208Pb─→271110+n
美國核化學家A.吉奧索提出另一冷融合反應：
59Co+209Bi─→266110+2n
此外，還有用較小原子序數的重離子轟擊重超鈾靶的構想，如：
23Na+254Es─→273110+4n
26Mg+249Cf─→271110+4n
上述構想能否實現，有待實驗的檢驗。
理論預測超重核的半衰期的誤差非常大，而超重核的半衰期可能遠小於108年。這樣一來,在地球形成時可能存在的超重核都已衰變完了，所以在礦物、岩石等樣品中沒有找到。若其半衰期小於105年,則宇宙射線中可能存在的超重核也將於它們到達地球之前衰變完了，因此在宇宙線中也無法找到它們。若超重核的半衰期果真為108年左右,那么迄今沒有找到它們可能的原因是：①宇宙中自然合成超重核的幾率非常小，從現有的數據來看，自然界重元素的合成，主要是通過快中子吸收過程，但這一過程可能達不到超重區；而重離子反應合成的截面可能也極小,所以在自然界合成超重核的數量極少,不易發現。②尋找方向上還帶有某些盲目性，在一些工作中，樣品的選擇多半只著重考慮化學性質的同族相似性（如鉛中找類鉛、鉑中找類鉑等），而較少注意對現有的同位素地球化學規律的套用。③超重核分散在非常大量的基體當中，由於濃集方法有問題，使超重核濃集不起來或丟失。④樣品中的超重核含量極微，由於探測器靈敏度還不夠高，分辨不出來。
十幾年來尋找超重元素的種種實驗,雖未獲成功,但從殼層模型理論對已有實驗事實的成功解釋來看，在鉛208雙幻數核以後,還是有可能存在下一個雙幻數核的。也就是說，可能存在一個超重核穩定島。即使島上超重核的壽命達不到預測值那樣長──穩定島不像理論預測的那樣高或大。但島上原子核的壽命肯定比其周圍的原子核要長，足以用核探測器測定。持樂觀態度的核化學家認為，穩定島的存在是無疑的，重離子合成反應可能是合成超重核的比較現實的途徑。
參考書目
　C.克勒爾著，《超鈾元素化學》編譯組譯：《超鈾元素化學》,原子能出版社,北京,1977。(C. Keller, TheChemistry of the Transuranium Elements, Verlag Chemie, Weinheim, 1971.)

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