互动科普

制造新元素

Peter Armbruster，Fritz Peter Hessberger

过去几年中，三种新的元素——即110、111和112号元素——已被制造出来。现在科学家们正在努力合成113和114号元素。他们还能向元素周期表中加入多少种元素呢？

可以说这是一场赌博：只有一条狭窄的路径通向我们的目标，要不就是失去目标。抱着这样一种态度，我们开始进行合成新的超重元素的实验。这些新元素只有通过一个漫长而复杂的过程才能制造出来，在这一过程中，我们让原子核在高速下互相碰撞，希望它们能发生聚变反应。所得的产物是极

其脆弱的，大多数产物立刻就分解了。

只有在极其不寻常的条件下，一种新的元素才有可能度过产生过程并进入一种稳定的构形(我们称其为基态)。然而，即使这些条件都得到满足，新元素的产生率仍然是微乎其微的。为了合成112号元素——这是迄今为止产生出来的最重的人造元素——我们昼夜不停地连续做了24天的实验，结果只合成出112号元素的两个原子，而它们仅存在了数微秒。

1998年春，当我们开始搜寻113号元素时，我们预计它的产生率只有112号元寨的二分之一到三分之一。因此，我们试图通过持续42天的实验来合成113号元素。结果什么也没有发现。我们仍然在问自己，为什么我们会扑了个空呢？是我们所选择的能量值不对吗？还是该元素的产生率比我们预计的

还要低？抑或是113号元素具有某种不寻常的性质，使我们难于用现有的设备检测到它的存在？

尽管合成其寿命只有极短时间的新元素的工作面临着种种困难，但这些问题老是萦绕在我们脑里，使我们无法放弃对新元素的搜寻。在过去60年中，研究人员已合成出20种人造元素。现在的问题是，我们还能合成出多少种新元素？

人造元素

1936年，物理学家Emilio G．Segre利用加利福尼亚州伯克利的回旋加速器进行研究(该加速器在他的朋友Ernest O．Lawrence的实验室里)。Segre用一束称为氘核的粒子照射钼的试样，然后他把这一试样带回巴勒莫大学进行研究。在那里Segre发现了第一种人造元素——锝，其元素序数为43。(这一所谓原子序数指明了一种元素在周期表中的位置，同时也表明了该元素原子核内带正电的粒子——即质子——的数目)。

Segre是受到另一位意大利物理学家Enrico Fermi所进行的实验的启发而合成出锝的。1934年，当时还在罗马大学的Fermi提出，用名为中子的不带电粒子轰击一个原子的核心(即原子核)，可以产生出新元素。通常中子是在原子核内，但一个单独的中子能够穿过原子核，在核中它可能被俘获。这样所得的原子核可能是稳定的，也可能是放射性的。如果得到的是放射性原子核，则中子将通过一个所谓衰变的过程变成一个质子、一个电子和一个中微子。(中微子是一种实际上没有质量的不带电粒子。它常常在原子核衰变的过程中被释放出来。)由于发生了这一中子俘获和衰变的过程。原子核中的质子数目增加了，而每增加一个质子，原子序数便上升一次。形成了序号更高的元素。

其它一些研究小组采纳了这一用中子照射各种元素的原子核的设想。1940年。Edwin M. McMillan和Philip H. Abelson——当时两人都在伯克利加利福尼亚大学——一下子跳到了下一个未知元素上，通过在该大学的回旋加速器上采用中子辐照法，他们合成出了93号元素一一铀(当时已知的天然存在的最重元素)之后的第一个元素。(93号元素最终被命名为镎(neptunium)，这是十分恰当的，因为这个名字来源于海王星(Neptune)，而海王星是天王星(Uranus，与铀元素uranium同名)之后的第一个行星。在十九世纪四十年代和五十年代，这些美国人同劳伦斯伯克利国家验室的Glenn T. Scaborg合作，在继续进行始于二战中核武器研究期问的科研过程中，发现了一连串的新元素：钚(94号元素)、镅(95号元素)、锔(96号元素)、锫(97号元素）、锎(98号元素)、锿(99号元素)和镄(100号元素)。

根据Fermi提出的联合使用中子俘获及衰变的方法，所有上述8种元素生产出的数量都可以达到能称量出的地步。但是每种元素能够合成出的数量相差很大。目前世界上钚的储备已经超过1000吨(10个原子)，而镄的储备却从未超过万亿分之几克(10个原子)。遗憾的是，Fermi的方法只能用到镄为止——对于镄以后的元素，衰变不再发生，因此不可能用这种方法来合成新元素。必须寻找一种新的方法。

国际竞争

当时可供选择的方法是把轻元素——如碳(6号元素)、氮(7号元素)或氧(8号元素)和超铀元素(如94号元素钚到99号元素锿)以极高的速度聚合在一起，期望这一碰撞的能量将促进这两个原子核的聚变反应，从而产生更重的元素。但是在试图让两个原子核互相碰撞时所遇到的一些严重的实际问题对实验室提出了重大挑战。

为了进行这些实验，科学家们改进了现有的技术(即回旋加速器)，并首次建造了直线加速器。借助这种装置，研究人员能够以相当确定的能量加速高强度离子束。需要使用超铀元素意味着这一方法只能够用于有大型核反应堆(有核武器的国家中的那种反应堆)可以利用的地方。因此，在冷战期间，参与

这类实验的两家主要研究机构一一美国的劳伦斯伯克利国家实验室和俄罗斯杜布纳联合原子核研究所一一不仅在科学上，而且也在政治上互相竞争。

到1955年，伯克利小组通过使氦(2号元素)与锿(99号元素)聚合而制造出101号元素钔。从1958年到1974年，伯克利小组和杜布纳小组先后合成出了锘(102号元素)、铹(103号元素)、铲(104号元素)、锚(dubnium，105号元素)和锗(Seaborgium，106号元素)。这段时期美俄两国的关系非常紧张，因此它们仍然在争论是谁首先发现了这些元素以及应当给这些元素取什么名字。上面提到的元素名称是国际纯粹与应用化学联合会所承认的名称[参看后面的表命名的政治学]。

在合成出106号元素之后，科学家们遇到了另外一个障碍：标准的聚变技术无法合成出更多的新元素。就是在这个时候，德国加入了这场竞赛。随着重离子研究所(Gesellschaft für Schwerionenforschung，缩写为GSI)于1969年12月在德国达姆施塔特市的建立，德国的化学家和物理学家们开始进入这个以前一直由美国和苏联研究人员独霸的领域。7年后的1975年，重离子加速器UNILAC(Universal Linear Accelerator，即通用直线加速器)在GSI投入运行。

这台新型的机器是第一台能够以连续可调的能量加速所有各种重离子(包括铀离子)、从而使聚合两个原子核的尝试具有极大灵活性的加速器。我们建造UNILAC的主要目标之一是合成出107号到至少114号元素，我们称这些元素为超重元素。为什么把目标定在114号元素上呢?根据理论计算，114号元素应当特别稳定，因为它的核应当以物理学家们所谓的“闭合壳层(closedshell)的形式存在。

1948年，海德堡大学的Otto Haxel、J．Hans D. Jensen和Hans E. Suess以及阿贡国家实验室的Maria Goeppert Mayer注意到原子核中的中子数和质子数存在着有趣的规律：这两种亚原子粒子的某些组合得出的原子核与其它组合方式相比特别稳定。类似的规律已经在原子的电子数目中观察到了——电子的某些特殊构型产生出化学上特别稳定的元素。科学家们判定，这类规律性反映了电子依次填满原子核周围的各个能量壳层的方式。某些壳层只能容纳两个电子，而其它一些壳层则可容纳多至14个电子。研究人员发现，在最稳定的元素——化学上不活动的惰性气体中——最外一个被占据的电子壳层是完全填满了的，研究人员称其为“闭合”壳层。

依据这一电子壳层填充的概念，Goeppert Mayer和Jensen各自独立地提出了原子核的壳层模型，并解释了多少个质子和中子合在一起将得出闭合壳层。由于这一发现，他们共同获得了1963年诺贝尔物理学奖。

对于一种给定元素的每个原子，原子核中的质子数都是相同的。但是有些元素可以有各种不同形式(即同位素)存在，每种同位素的核内有不同的中子数。同位素可以用所谓原子量区别开来(原子量就是核内质子数与中子数之和)。具有极稳定的核的稳定同位素包括钙40(20个质子和20个中子)、钙48(20个质子和28个中子)及铅208(82个质子和126个中子)。此外，114号元素的一种同位素有114个质子和184个中子，它也应当具有闭合壳层。按照物理学家的说法，邻近这些闭合壳层的元素存在于一个被一片不稳定原子核的汪洋大海所包围的“稳定岛”上。

因此，一当UNILAC加速器建成并投入运行，我们就急于想知道我们能否到达这个稳定岛。一开始似乎一切都很有希望。理论家们当初告诉我们说，计算表明，与某些较轻的元素(如铀和钍)相比，114号元素附近的元素将具有很长的半衰期——在几十亿年这一数量级上(某种同位素的半衰期就是给定数量的该种同位素原子的一半发生放射性衰变所需要的时间)。我们预计能够合成出相当数量的超重元素——或许将会得出供化学家们研究的新物质以及供核物理学家和原子物理学家研究的新原子。

但是在八十年代初，情况已经变得很清楚：合成114号元素附近的超重元素将不是轻而易举之事。用核反应中射弹与靶的各种不同组合来合成这些元素的所有尝试均告失败。在自然界中寻找这些元素的进一步的努力也是一无所获。

冷聚变

在得知杜布纳联合原子核研究所的Yuri Oganessian和他的研究伙伴Alexander Demin在1974年作出的一项重要发现后，我们在GSI开始采用他们的新方法来合成超重元素。Oganessian和Detain用氩(18号元素)的离子来轰击由铅(82号元素)构成的一个靶，得到了100号元素镄。Oganessian意识到，在这一过程中，新形成的原子核的加热程度远低于在用极轻的离子照射最重的超铀同位素时——直到那时为止这是最常用的方法——所需要的较强烈碰撞中的加热程度。Oganessian得出的结论是，由于激励能量较低，得以经历聚变过程而存在下来并且随后不再发生裂变并分解的原子核的数目将大大增加。

我们的GSI小组开始对这一方法产生了兴趣：由于在聚变过程中原子核的激励能量较低——因此产生的热量也比较少——我们称其为“冷”聚变。(当然，这一方法同几年前曾炒得沸沸扬扬的所谓氘核在试管中发生了室温下聚变一事毫无关系。)伯克利的研究人员把冷聚变视为奇闻怪事，并没有认真看待它，但对于我们来说，这却是进入该领域的唯一机会。首先，原始物质(铅和铋)都是自然界中很容易得到的，并不需要用核反应堆来制备。此外，UNILAC加速器的布局，使我们能够利用所有各类离子来作为射弹，并能够微调离子的能量，这样就使能量很容易在任何值上复现。

我们也拥有适当的装置来分离并探测聚变反应的产物。当UNILAC加速器正在GSI动工建造时，Gottfried Münzenberg为此目的领导一批来自GSI和德国格森大学第二物理研究所的科学家制造一台专门的筛选装置，称为重离子反应产物分离器(Separator for heavyion reaction products，缩写为SHIP)。该筛选装置可除去聚变反应的射弹和不需要的副产物，并有效地使所需要的产物聚焦于一台探测器上，通过这台探测器我们能够借助于它们的放射性衰变产物来鉴别出它们。

107号及107号以后的元素

八十年代初期，我们的研究小组得以令人信服地证明了冷聚变是有效的：我们鉴定出了镦(bohrium，107号元素)、镖(hassium，108号元素)以及镀(meitnerium，109号元素)。此后不久，我们在《科学美国人》杂志上介绍了我们的方法。（参看《科学》1989年9月号上Peter Armbruster和Gottfried M Onzenberg所著“超重元素的合成一文。）

然而，在取得了这一成就之后，我们意识到迈出下一步(即合成110号元素)将需要对我们的实验方法作某些改进。例如，为了合成出109号元素(meitnerium)的单单一个原子，我们不得不让加速器连续运行了两个星期。此外，在元素周期表中每向前迈进一步，我们合成这些超重元素的能力便

下降3倍——这就使得合成出的元素越来越难以探测到。

尽管存在这些潜在问题，我们仍然坚持使用这一在此前效果一直不错的方法。伯克利和杜布纳的研究小组当时已经重新采用了以前用过的“热聚变”方法，所以至少我们在那时没有任何竞争对手。通过对UNILAC加速器进行一系列结构上的改进，我们得以使它的离子束强度增加到原来的3倍。我们也使筛选装置SHIP的灵敏度增加到原来的3倍。最后，我们的同事Sigurd Hofmann建造了一个灵敏度更高的新的探测器系统。

我们的研究小组也有一些人事变动。除了原先的小组成员外(包括本文的两位作者、Hofmann、Münzenberg、Helmut Folger、Matti E．Leino、Victor Ninov和Hans Joachim Schött)，还有一批新人加入了我们的小组：杜布纳Flerov核反应实验室的Andrey G. Popeko、Alexandry Yeremin和Andrey N. Andreyev，以及斯洛伐克布拉迪斯拉发Comenius大学的Stefan Saro和Rudolf Janik。我们从1973年以来一直同杜布纳的研究小组保持密切的联系，但是政治形势的变化使这些科学家现在能够直接同我们合作。

当我们在1993年使UNILAC加速器重新投入运行后，我们用氩40(氩为18号元素)和钛50(钛为22号元素)这两种同位素的束流进行了一系列的试运转。氩40和钛50一直被用来合成钔和鑪的各种同位素。我们还进行了其它一些试运转以确定合成110号元素的合适的能量值。通过所有这些试验，证明了我们对UNILAC加速器的结构改造是成功的：束流强度和探测器灵敏度都确实有了改善。

1994年11月9日，经过了10多年的一段空白时期后，我们终于得以鉴别出又一种以前未知的元素的衰变产物：在铅208(铅为82号元素)和镍62(镍为28号元素)的原子核聚合期间，生成了一种新的复合原子核，它有110个质子，其原子量为270。遇个原子核立即就释放出一个中子结果得到110号元素的同位素269。这一新的同位素的半衰期为170秒；我们是通过监视它如何衰变成所谓的子代产物而把它鉴别出的。在这个例子中，该原子核一连放出4个粒子，每个粒子均为有两个质子和两个中子的氦原子核，这样就得到铲的同位素257这一子产物(鑪为104号元素)。在随后的实验中，我们还合成出了110号元素