互动科普

元素的稳定性：幻数和稳定岛

核素通常可以分为稳定的和不稳定的两类。不稳定的核素会发生放射性衰变或裂变，转变为别的核素，所以称为放射性核素。稳定核素则不会发生放射性衰变。稳定的或者是衰变得特别慢（例如其半衰期与地球的年龄相当或更长）的核素，在自然界中的含量就会比较高。而半衰期比较短的核素，在地球长达几十亿年的历史中，绝大部分都衰变掉了。

科学家研究发现，自然界中特别稳定的那些原子核，其中的核子（质子或中子）数目是一些特别的数，称为“幻数”（magic number）。目前已经确认的幻数有2、8、20、28、50、82、126（仅限中子）等。如果某种原子核中的质子数和中子数都是幻数，它就更是特别稳定，这样的原子核被称为“双幻核”。例如氦4（2质子+2中子)、氧16（8+8)、钙40（20+20)、钙48（20+28)、镍48（28+20)、镍56（28+28）、铅208（82+126）等都是双幻核。

20世纪50年代左右，有很多科学家都在研究这个奇特的现象，试图解释幻数是怎么回事。1949年，德国核物理学家玛丽亚·格佩特-梅耶（Maria Goeppert-Mayer）和约翰内斯·延森（Johannes Jensen）用很强的自旋和轨道相互作用成功地解释了幻数的现象，并建立了原子核的“壳层模型”(Shell model），他们由此而获得1963年诺贝尔物理学奖。格佩特-梅耶是继居里夫人之后第二位获得诺贝尔物理学奖的女性。

根据“壳层模型”，原子核中的核子就像核外的电子那样，也是分层排布的。核子具有自旋，同时因在原子核内做圆周运动而具有轨道角动量，自旋和轨道角动量相互作用（即自旋轨道耦合），使得具有一些特定数目核子的原子核特别稳定，这些数目就是幻数。当核子的数目为双幻数时，质子和中子都恰好填满了某个能级（壳层），因此具有特别大的结合能，所以就更稳定。

由于质子是带正电荷的，当多个质子在一起时，就会由于带有同种电荷而相互排斥。一般来说，一个超重核中的质子越多，斥力就越大，原子核也就会越不稳定。但由于核子是分壳层排布的，量子效应会使得某些较重的原子也能稳定。“科学家预言，能稳定存在的超重元素并不只有一两个。核子数恰好为幻数的核是最稳定的，而在相应的幻数附近，还存在大量比较稳定的原子核，这些原子核在不稳定核素的‘海洋’中形成了一个‘岛’，被称为‘稳定岛’。”孟杰教授介绍道。曾经有理论预言，围绕双幻核 ²⁹⁸114（即原子序数114，质量数298）就可能存在着一个稳定岛。但这些预言中的稳定超重元素，在自然界中却一直没有被发现。

在实验室中合成超重元素

超重元素在自然界中难以找到，科学家们就试图在实验室中把它们人工合成出来。人工合成超重元素的一个重要方法，就是用重离子加速器将一种原子核加速后轰击到另一种原子核做成的靶子上，使这两种原子核结合到一起，生成更重的原子核。例如114号元素，就是用钙（20号）原子核轰击钚（94号）原子核制得的，116号元素则是用钙原子核轰击锔（96号）原子核制得的。

这种实验对加速器、探测器等设备的要求非常高，世界上只有很少的几个实验室能开展这方面的研究，这其中就包括了著名的德国重离子研究所（GSI)、俄罗斯杜布纳联合核研究所（JINR)和美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）等。

在实际合成中，首先要先找到合适的稳定的“炮弹”原子。由于原子是电中性的，无法在电场中被加速，所以接下来还要将“炮弹”原子中的部分电子“剥去”，使它变成带正电的离子。然后用加速器将“炮弹”离子加速后，轰击靶室中的靶核，也就是另一种原子。由于反应发生的概率非常低，所以“炮弹”和靶核的量要足够多。合成的超重元素，通常很不稳定，会很快衰变掉。通过分析衰变的各种产物，就可以判断合成的新元素是什么。

在超重元素的研究中，有一位重要的人物，这就是俄罗斯的核科学家尤里·奥加涅相（Yuri Oganessian）。早在20世纪70年代，奥加涅相就提出可以用两种办法，即“冷熔合”和“热熔合”来合成超重元素。例如，铅208是一个质子数和中子数均为幻数的双幻核，非常稳定，把它作为靶与另一个原子核发生反应，形成的复合核的激发能就比较低，相对温度也就比较低，所以称为冷熔合。而用锕系元素的原子核为靶，形成的复合核的能量就比较高，称为热熔合。

 尤里·奥加涅相

奥加涅相提出原子核冷熔合的概念及理论后，德国重离子研究中心的科学家利用他们的高性能加速器，在1981～1996年间用冷熔合的方法一举合成了107～112号元素。但随着元素质量的增加，用冷熔合法产生的复合核的数目呈指数下降。112号元素合成出来之后，德国科学家曾一度断言这是冷熔合法合成元素的上限，要合成更重的元素，只能用热熔合的办法。

而奥加涅相则在俄罗斯杜布纳领导着自己的研究组，通过热熔合的方法相继合成了一系列新元素。本世纪，他们已声称先后合成出了118、115、117号等元素。理论上，如果合成出了118号元素，由于它会发生α衰变，放出具有2个质子和2个中子的α粒子，所以就会依次衰变为116、114号元素；117号元素则会衰变产生115、113号元素。

超重元素的合成，各国实验室之间的竞争非常激烈。由于实验运行费用非常昂贵，所以这种竞争不仅仅是科技水平的竞争，也是经济实力的竞争。

日本理化学研究所的森田浩介（Kosuke Morita），曾因没有按时完成博士论文工作，没有拿到博士学位。他后来被理化学研究所的一个研究组聘用从事超重元素合成的工作，在这个方向上默默无闻地一干就是20年。他曾经重复并验证了德国科学家合成110～112号元素的工作。德国科学家用冷熔合法合成113号元素时，坚持做了1个月，没有得到结果，就因资金、精力等难以承受而放弃。他们认为112号元素已是冷熔合法的极限，因为用这种方法合成出113号元素的概率太低了。但森田浩介却用类似的方法足足做了将近1年的时间。功夫不负有心人，他终于在2004年合成出了一个113号元素，此后又几次合成出了这个元素。森田浩介因此一下子成为日本的民族英雄，从一个普通研究人员被提升为副主任研究员（相当于副教授），最近又成为日本九州大学的正教授。

虽然日本科学家认为自己是113号元素发现者的呼声很高，但奥加涅相领导的俄罗斯团队声称在2003年8月就已经合成了115号元素，并通过115号元素的衰变得到了113号元素，这比森田浩介的工作要早一年，只不过一直没有被确认。所以，如果这次瑞典隆德大学的发现能确认10年前俄罗斯科学家合成115号元素的结果，那么对113号元素也是由俄罗斯首先发现是一个有力的支持。

（本文发表于《科学世界》2013年第10期）