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1999年是人类历史上不平凡的一年。在这一年，人类不仅要告别一个世纪，更要告别一个千年。在这一年，世界科技捷报频传。在我国，载人航天工程第一艘试验飞船飞行成功。暂且不表人类第22对染色体密码被破译、光速被降低到17米／秒等科学成就，本文专门评述1999年十大科技进展之一：美俄科学家发现超重元素。

超重元素114号和118号

114号元素的发现

俄罗斯《独立报》1999年1月23日首先报道，俄美联合研究小组于1998年底在美国加州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL)发现114号元素，新元素的原子量为289。它填补了化学元素周期表上的一个空白。

找到114号元素是一项极为重要的发现，它存在了30．4秒，是迄今为止最长寿的超重元素。美国科学促进会为此发了专稿。

几十年来，科学家一直通过用一种元素的原子轰击另一种元素原子的方法来制造新的元素。但不幸的是，许多这样的人造元素在不到一眨眼的时间里就消失了，寿命太短。而俄美联合小组设法产生的这种新元素——114号元素，存在了30．4秒。这一成功使物理学家产生了希望：他们找到了人们长期追寻的“稳定岛”——一系列超重新元素。这些稳定长寿的超重新元素可以保持足够长时间的稳定以供研究之用。

为了获得目前还未定名的114号元素，该研究小组用一束钙原子轰击一片钚薄膜。40天后，核聚变反应创造了这种新的原子。它在衰变成一种以前并不知道的112号元素的同位素之前，保持了30．4秒的时间。而112号元素的这种同位素本身又保持了15分钟，随后，它又衰变成一种以前没有发现过的108号元素的同位素，这一同位素又“生存”了17分钟。研究人员认为这个108号元素的同位素是“稳定岛”的边缘。

捕获118号元素和116号元素

1999年6月，在美国劳伦斯·伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory，LBNL)，借助回旋加速器，并以大密度高能氪离子束轰击铅靶，研究人员终于找到了118号和116号两种新的“超重”元素的踪迹。虽然新发现的化学元素因其放射性而很快便衰变成为其他的元素，但整个衰变过程与1970年代提出的理论中所预言的“稳定岛”现象相吻合。

LBNL报告说，原子量为293的118号化学元素的同位素拥有118个质子和175个中子，其诞生后在不足千分之一秒的时间里通过放射α射线而迅速衰变为原子量为289的另一种放射性化学元素——116号化学元素的同位素；但这种原子核内含有116个质子和173个中子的化学元素也是不稳定的，随即便释放出α射线而衰变为114号化学元素的同位素，此衰变过程持续不断，直到最后变为106号元素为止。

该研究小组负责人格雷戈里奇(K．Gregorich)表示，在长达11天的实验中，共观测到三次链式衰变现象，每次衰变均在1秒之内放射出六次高能粒子流。实验结果表明，118号元素的原子共有三个，经由116、114、112、110、108号元素的同位素蜕变为106号元素。对整个衰变过程释放出来的射线的能量和各种同位素寿命的测定，有力地支持了“稳定岛”理论。

根据美国能源部提供的资料，实验中的铅靶为208Pb，轰击粒子为86Kr离子。离子束的能量为4．49亿电子伏。实验取得成功的关键，是采用了伯克利充气分离器(BGS)和88英寸(1英寸=2．54厘米)的回旋加速器。其中前者具有分离效率高、背景干扰小的特点，而后者则具备了加速氪离子束达2万亿个／秒的能力。

有关专家评论说，两种新元素的发现过程清楚地表明了稳定岛现象的存在，其实验方法亦可用于其他的人造元素和同位素，并为原子核甚至元素化学特性的研究打开了一个全新的领域。

超重元素存在的理论预言

根据核理论预言，可能存在原子序数大于110的化学元素，与此相对应的原子核为超重核。自从1940年人工合成93号元素镎和94号元素钚以来，元素周期表就开始“延长”。随着超钚元素的陆续合成，元素周期表究竟能延长到哪里的问题很自然地提到人们的面前。为了回答这个问题，核理论工作者根据原子核的壳层模型理论，提出了超重元素存在的预言。

1920年代末发展起来的原子核壳层模型理论解释了元素周期表中具有2、8、20、28、50、82、114、126和184等幻数(magic number)核丰度较大和特别稳定的实验结果，当然双幻数(doubly magic)的核更加稳定，如42He、20882Pb等。1948年，美国物理学家梅耶(G．M．Mayer)等强调了质子数Z和中子数N为幻数的原子核特别的稳定性。1959年丹麦物理学家尼尔松(S．G．Nilsson)等将单粒子能级图外推到Z=126，显示出Z=114的壳层效应。1960年前后，瑞典物理学家约翰松(S.A.E.Johansson)在广义液滴模型基础上，利用尼尔松轨道做了壳修正，他的计算表明，在N=184附近可能存在寿命足够长的核。1965年一1966年梅耶等推广了液滴模型公式，并在核近似为球形时加以壳修正，进而从这个半经验公式出发，预言了超重核稳定岛的存在。

前苏联物理学家斯特鲁宾斯基发展了壳修正方法，提出Z=114为质子幻数。1969年尼尔松等全面系统地进行了计算和探讨，得出了Z=114而N=184的核114为双幻数核，围绕它可能存在一个由成百个超重核组成的稳定岛。其中寿命最长的可达10^8年。1972年核物理学家菲塞(E．O．Fiset)等预测最稳定的超重核自发裂变半衰期可达1015年。

超重核稳定岛形象地比喻了一批理论预言的稳定的原子核。目前已发现的核素有两千多种，如果以核内的中子数N为横坐标，以质子数Z为纵坐标，把所有稳定的和具有放射性的核素标在图上，便可以清楚地看出，自然界中稳定核素的中子数都局限在一定的范围内；在平面图上，称为β稳定线或稳定带，在立体图上则可称为β稳定半岛。

无限风光在险峰

超重核稳定岛是一个诱人的目标，可谓“江山如此多娇，引无数英雄竞折腰!”应当承认，自1940年以来，核科学家在合成新元素，延长周期表方面已经取得了很大的进展，除镎和钚已经证明在地球上有天然存在外，从95号到112号皆为人造新元素，应该说距合成114号元素只有一步之遥。但是如果研究一下已合成的新元素之稳定性，却无法拒绝得出令人沮丧的结论：原子序数越大，超重元素越不稳定。

远在1978年，丹麦核物理学家朗得鲁普(J．Rundrup)等又进一步修正计算模型，预测最稳定的超重核自发裂变或α衰变的半衰期约为1年。可见根据不同模型计算出来的超重核半衰期可相差几十个数量级。1977年，美国核物理学家尼克斯(J．R．Nix)等估计，由于计算采用单粒子能级图等因素，使超重核自发裂变半衰期预测值的不确定性确实相当大。1986年，前西德核化学家默勒(P．Moiler)等引进他们提出的壳修正，应用一个半经验关系式计算超重核的自发裂变或α衰变的半衰期仅为1～2秒。这一结果也使寻找超重元素的研究面临十分困难的局面。

总而言之，寻找超重核稳定岛面临着理论和实践上的双重挑战。它会不会如《长恨歌》中所描写的“忽闻海上有仙山，山在虚无缥缈间。”人们将拭目以待。

“明知山有虎，偏向虎山行。”目前，全世界共有三个核子研究实验室参与稳定岛攻坚战的夺魁竞争。它们是LBNL、德国达姆斯塔特重离子研究所(GSI)以及位于莫斯科近郊的杜布纳联合核子研究所(The Joint Institute for Nuclear Research．JINR)。这些实验室装备了先进的加速器，改进了重离子反应产物分离器，提高了探测器的灵敏度，主攻方向是合成114号元素。实验目的是要否定“超重元素越大越不稳定”。面临的形势是相当严峻的，以近期发现的112号元素而论，不仅半衰期仅为280微秒，而且产率极低，用3×108个锌离子射向铅靶只获得两个质子数为112的目标原子。

合成超重元素的另一个困难，是目标核中子数不足，未能接近中子幻数184。因此在后来的工作中将继续使用半中子48Ca、56Ti和238U作为入射离子，而用最重的248Cm、246Es作为核靶，为合成超重元素提供更大的远景。这些实验室都不是采取一步到位的办法去合成元素298114，而是去合成中子数较低或欠多的元素298114的同位素。

以安布鲁斯特(P．Ambruster)为首的GSI的核科学家计划将，70Zn离子束射向铋靶制取元素113，成功后的下一目标是将锗离子束射向铅靶合成283114。

以核化学家格雷戈里奇为首的LBNL小组，包括了著名的吉奥索(A．Ghiorso)，还邀请了GSI的尼诺夫(V．Ninov)作为访问科学家协助工作，计划用48Ga离子束轰击244Pu合成具有174个中子的288114，下一步计划改用248Cm做靶合成具有176个中子的292116。

俄罗斯杜布纳小组会同美国LLNL的核科学家也计划用稀贵的48Ga离子束轰击244Pu，但是所采用的技术路线与GSI和LBNL用传统的冷融合法(即用重量中等的同位素较缓和地撞击)不同，他们用的是热融合法，即用一束轻同位素来猛烈冲击较重的靶标如钚，结果他们成功了。

1999年初，在发自杜布纳的一封措辞谨慎的电子邮件中，宣布了制备出具有114个质子的原子核的消息。1998年最后几个星期以来，俄美科学家合作，用5×1018个稀贵同位素。48Ga轰击244Pu，并发现，显示衰变链的唯一信号始于289114，它在分裂出一个α粒子成为元素112的同位素之前存在了30．4秒。

吉奥索认为，找到114号元素是一项极为重要的实验，这也是迄今为止最长寿的超重元素。这同时也意味着，将有可能产生寿命长达几小时、几天甚至几年的超重元素。这将是一件大事，可能使核化学家仔细研究这些元素的化学性质，使核物理学家更仔细地了解原子核如何聚集在一起的。

一些科学家认为，原子核中不带电的中子，可能是超重元素长寿命的关键因素。中子可使带正电的质子减少相互排斥的作用，从而使核稳定。专家们一直认为在不稳定的超重元素海洋中，可能存在有“稳定岛元素”。这个超重元素区的原子核可能是富含中子的。所以，114号元素的发现，可能预示重元素中“稳定岛”确实存在。

1999年，可谓超重元素丰收年。在不到半年的时间内，114号元素把冠军头衔让给了一个新的元素118。俄美联合研究小组业绩的取得是利用热融合技术，而伯克利研究组的突破是因为波兰核理论学家斯莫朗克祖克(R．Smolanczuk)的来访。他的计算表明，用单幻数的氪离子轰击双幻数的铅(冷融合技术)将产生少量质子数为118，且不立即裂变的原子。格雷戈里奇说：“我们并不真的相信，但它是那些失败少、成效大的实验中的一个。”

斯莫朗克祖克是对的。研究组花了11天的时间来用氪离子轰击铅并筛分轰击产生的碎片。他们3次观察到有明显的α粒子释放的过程——118号元素释放出α粒子以产生更稳定的结构。除此之外，研究人员还观察到了第一次α衰变产生的116号元素。这也是以前未观察到的。

伯克利实验室的重元素物理学家拉菲德(R．Lougheed)说：“结果令人振奋。我怀疑它将导致这个领域中出现新同位素的旋风。”格雷戈里奇说：“研究组的下一步骤是将铅靶换为多一个质子的铋靶。”他们的目标当然是119号元素。由于119号元素会衰变成尚未发现的117、115和113号元素，所以科学家有可能一次就获得4种新元素。

发现新的超重元素前景十分光明，有人认为超重元素稳定岛只是初露峥嵘，目前只是攻取了“稳定岛”上第一战略高地——289-114，尚未达到第一主峰298-114。发现126号超重元素，才能对原子核及其形成有更加深入的了解，因为元素310-126是“稳定岛”上的第二主峰。