[科普中國]-我們?yōu)槭裁匆铣沙卦兀?

在上一篇文章（地球上那么多元素都怎么來的？你的金飾其實(shí)來自星星）中，我們?yōu)榇蠹医榻B了鈾為止的各種元素在宇宙中漸次合成的機(jī)理。在這篇文章中，我們將繼續(xù)沿著周期表中元素序號(hào)增加的方向，著眼于超重元素的人工合成這一話題。

圖片來源：視覺中國

什么是超重元素，自然界中為什么不存在超重元素？

原子核位于原子中心，占據(jù)整個(gè)原子絕大多數(shù)質(zhì)量，由帶正電荷的質(zhì)子和電中性的中子構(gòu)成。質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子，二者通過核力彼此結(jié)合為整體。原子序數(shù)與質(zhì)子數(shù)等同，質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的和稱為質(zhì)量數(shù)。具有相同質(zhì)子數(shù)而中子數(shù)不同的原子核稱為同位體。**一般而言，原子序數(shù)越大，質(zhì)量數(shù)也就越大，原子核也就越重。**因此，在本文中，我們用重原子核這一說法來表示原子序數(shù)非常大的原子核。其中，原子序數(shù)104以上的原子核，稱為超重核。

截止1925年，人類已經(jīng)在自然界中發(fā)現(xiàn)并分離出了92號(hào)元素鈾及之前的全部元素，93號(hào)元素開始（即所謂的超鈾元素），都是通過人工合成方式發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)的。我們已經(jīng)在上一篇文章中提到了地球上鐵之后的重元素幾乎全部來自于太陽系誕生時(shí)期的超新星爆發(fā)或中子星合并。

那么，是否可以下結(jié)論說上述兩種來源最多可以制成92號(hào)元素呢？答案是否定的，理論上來說，超新星爆發(fā)和中子星合并時(shí)候所產(chǎn)生的巨大能量足以合成更重的元素。例如，93、94號(hào)元素最初由人工方式合成，但之后在鈾礦中發(fā)現(xiàn)了它們的痕量存在，這說明自然來源的重原子核并非只能到92號(hào)元素鈾為止。

那為什么自然界中幾乎不存在超鈾元素呢？問題的關(guān)鍵在于，通常來說元素越重原子核的不穩(wěn)定性越強(qiáng)，超重原子核存在極大的衰變傾向，制成后在極短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌p的原子核，直到能夠穩(wěn)定存在為止。因此，即便超重原子核曾經(jīng)被其它星體制造出來，它們也無法存留至今。

實(shí)際上，人類已知的有穩(wěn)定同位素存在的最重原子核是82號(hào)元素鉛，之后的各種重原子核都具有或多或少的衰變傾向。具體而言，重原子核的衰變方式有兩種，其一是α衰變，也就是通過釋放α粒子（即He-4，氦核）變成原子序數(shù)減2的更輕原子核，這一過程會(huì)反復(fù)進(jìn)行直到該核可以穩(wěn)定存在為止。另外一種方式稱為自發(fā)核分裂，通常發(fā)生在原子序數(shù)在100號(hào)左右的超重核上，此時(shí)超重核將會(huì)自發(fā)分裂為兩個(gè)原子序數(shù)相近的較輕原子核。

超重元素發(fā)生衰變的本質(zhì)是什么？

**1.**什么是作用于核子間的核力？

那么，為什么重原子核，特別是超重原子核具有極大的衰變傾向呢？這個(gè)問題還要從構(gòu)成原子核的核子們之間存在的復(fù)雜相互作用說起。我們已經(jīng)提到過質(zhì)子和中子之間存在相互吸引的作用力—核力。解釋核力的成因涉及到粒子物理中的短程強(qiáng)相互作用，我們就不展開說明了，讀者們只需要將核力理解為核子之間的短距離相互吸引力即可。

在原子核中心附近，核子被周圍存在的其它核子所包圍，核力在此處將發(fā)揮最大限度的效用。與之相對(duì)，位于原子核表面附近的核子由于外側(cè)不存在其它核子，因此核子間的相互引力在原子核表面將變?nèi)?。?duì)于原子序數(shù)較小且核子數(shù)目較少的輕原子核而言，其暴露于原子核表面附近的核子相對(duì)于全體核子數(shù)的比例較高，因此核子間的相互結(jié)合力較小。重原子核的情形與之相反，核子間的結(jié)合力相對(duì)較大。

**2.**庫侖力是什么？

按照上述分析，原子核越重，核子間的核力將發(fā)揮更大的結(jié)合作用，重原子核似乎應(yīng)該更加穩(wěn)定才對(duì)。但是，這種想法忽略了存在于質(zhì)子間的靜電斥力，即庫侖力。

庫侖力是一種在整個(gè)原子核范圍內(nèi)都存在的長程作用，質(zhì)子間由于都攜帶正電荷，因此將相互排斥。而原子核越重，所含有的質(zhì)子也就越多，相互間的靜電斥力就越強(qiáng)，也就越容易導(dǎo)致原子核的解體衰變。最終，平均到每一個(gè)核子上的結(jié)合能按照元素輕重順序存在一個(gè)先增大后減小的過程，并在26號(hào)元素鐵附近達(dá)到最大值?？梢哉f，鐵原子核是自然界中最為穩(wěn)定的原子核。我們?cè)谏弦黄恼轮刑岬降闹凶有谴嬖阼F核心，以及地球內(nèi)核主要由鐵構(gòu)成等事實(shí)皆與鐵核的穩(wěn)定性存在關(guān)聯(lián)。

元素的平均結(jié)合能變化趨勢(shì)及核力與靜電力的作用范圍示意圖，來源：作者自制

細(xì)微之處見真章——原子核內(nèi)的核子排布大有玄機(jī)

**1.**影響原子核穩(wěn)定的因素

如果我們?cè)僮屑?xì)的考察一下上篇文章中展示過的太陽系的元素含量分布圖，可以發(fā)現(xiàn)隨著元素序號(hào)的增加，在整體含量的下降趨勢(shì)之下，還存在若干小型峰位，例如8號(hào)元素氧，28號(hào)元素鐵以及82號(hào)元素鉛等。

太陽系元素豐度示意圖，作者：MHz`as

這些峰位的存在，暗示我們除了原子序數(shù)，還存在著其它可以影響原子核穩(wěn)定性的因素。這一因素就是原子核內(nèi)的核子排布方式。

與核外電子存在殼層結(jié)構(gòu)類似，原子核內(nèi)部的質(zhì)子或中子也存在類似的排布規(guī)則。當(dāng)質(zhì)子或中子數(shù)正好達(dá)到填滿某殼層時(shí)，原子核將處于最為穩(wěn)定的“閉殼”狀態(tài)。處于閉殼狀態(tài)的原子核稱為“幻核”，滿足閉殼狀態(tài)的質(zhì)子數(shù)或者中子數(shù)稱為“幻數(shù)”。如果質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)同時(shí)滿足幻數(shù)，則稱這種狀態(tài)下的原子核為“雙幻核”。

**2.**為什么滿殼層的核子排布更穩(wěn)定？

關(guān)于為什么滿殼層的核子排布更加穩(wěn)定，我們可以設(shè)想一個(gè)也許不太貼切的例子。當(dāng)我們郵寄書籍一類較重的物品時(shí)，經(jīng)常會(huì)想辦法讓書本盡量填滿包裝箱的全部空間。這種“盡量填滿”的方式可以通過限制書本的相對(duì)位移來防止運(yùn)輸過程中書本位置的錯(cuò)動(dòng)，從而防止包裝箱遭到損壞。

滿足幻數(shù)的質(zhì)子數(shù)有，2、8、20、28、50、82……；滿足幻數(shù)的中子數(shù)有2、8、20、28、50、82、126……。例如，含有82個(gè)質(zhì)子和126個(gè)中子的鉛-208就是非常穩(wěn)定的雙幻核，因此鉛在太陽系中的含量相對(duì)其它近鄰元素存在峰位就不足為奇了。至于幻數(shù)為什么取以上數(shù)值，我們就不展開討論了，有興趣的讀者可以自行參考相關(guān)資料。

同位素穩(wěn)定性圖表及原子核的殼層模型示意圖，來源：見圖

行舟穩(wěn)定島——是否存在鉛之后的穩(wěn)定重元素？

目前已知（已經(jīng)得到驗(yàn)證）的質(zhì)子幻數(shù)最大為82，很多讀者或者已經(jīng)想問，在此之后是否還存在更重的質(zhì)子幻數(shù)？其實(shí)，物理學(xué)界對(duì)這一問題的興趣已經(jīng)維持了將近一個(gè)世紀(jì)。而且，如果真有更大的幻數(shù)存在，是否有可能形成鉛以后的穩(wěn)定超重原子核呢？

60年代起，針對(duì)上述討論，物理學(xué)界提出了超重元素的**“穩(wěn)定島”假說**。如果說穩(wěn)定存在的元素好比是高聳的陸地，不能穩(wěn)定存在的元素好比是無邊無際的海洋。那么能夠穩(wěn)定存在的超重元素就好像是海洋中露出水面的島嶼一般。為了尋找下一個(gè)滿足幻數(shù)條件的重原子核，無數(shù)的研究人員懷揣著自身的執(zhí)念和國家的尊嚴(yán)不懈努力著。

穩(wěn)定島示意圖，來源：見圖

根據(jù)原子核物理的預(yù)測(cè)，質(zhì)子數(shù)114，中子數(shù)184將成為下一個(gè)能夠穩(wěn)定存在的雙幻數(shù)組合。不少實(shí)驗(yàn)事實(shí)已經(jīng)給予了科學(xué)家們極大的鼓舞。例如，雖然目前其原子核內(nèi)的中子數(shù)離幻數(shù)184仍然相去甚遠(yuǎn)，但已經(jīng)制造成功的114號(hào)元素確實(shí)要比附近的超重元素?fù)碛懈L的壽命。此外，增加超重核內(nèi)的中子數(shù)目以令其更接近幻數(shù)184同樣能夠增加超重核的壽命。例如，112號(hào)元素Cn的兩種同位素中，Cn-285比Cn-277的壽命長了足足五萬倍。

雖然穩(wěn)定島理論仍然停留在假說層面，但它所勾勒出的前景卻足夠令人心馳神往，諸多站在世界前沿的研究機(jī)構(gòu)為了尋找到這座傳說中的島嶼傾注著無數(shù)的資金與精力。即便穩(wěn)定程度無法達(dá)到鉛-208的水平，但只要其壽命能不像其他同類元素一樣轉(zhuǎn)瞬即逝，我們就一定能找到這種超重元素的潛在用途，它將不再是只能在實(shí)驗(yàn)室中僅僅存在幾毫秒的“鏡花水月”。

意義非凡的超重元素合成偉業(yè)

合成超重元素的意義絕非僅僅只是為了尋找穩(wěn)定島。首先，合成超重元素的過程可以幫助我們進(jìn)一步了解原子核內(nèi)部的運(yùn)行機(jī)制，這是物質(zhì)世界的終極奧秘之一。只有在正確認(rèn)識(shí)規(guī)律的基礎(chǔ)上，才能嘗試對(duì)其加以運(yùn)用。人類科學(xué)史上類似的例子不勝枚舉，電磁波和光的性質(zhì)、重力和引力的性質(zhì)以及基本例子的性質(zhì)等等，都是在為人所了解和掌握多年后，才有了相應(yīng)的大規(guī)模應(yīng)用。

雙子星合并時(shí)引發(fā)的引力波示意圖，來源：見圖

其次，雖然現(xiàn)有的原子核物理學(xué)理論已經(jīng)可以對(duì)超重原子核的性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)和推演，但“能夠預(yù)測(cè)”和“實(shí)際觀測(cè)”顯然是兩個(gè)完全不同的層次。在科學(xué)史上，與人類預(yù)測(cè)相違背的科學(xué)事實(shí)不在少數(shù)，預(yù)想外的規(guī)律在很多時(shí)候都成為了引發(fā)新科技革命的導(dǎo)火索。即便預(yù)測(cè)與實(shí)際取得了完美的一致，同樣有著重大的意義。在目前的超重元素合成歷程中，尚未出現(xiàn)顛覆式的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，不過相對(duì)論力學(xué)、粒子物理和量子論等等現(xiàn)有科學(xué)理論卻在此過程中得到了反復(fù)的確證和加強(qiáng)。

最后，不斷挑戰(zhàn)新的超重核制備不僅能對(duì)人類現(xiàn)有技術(shù)水平起到提升和促進(jìn)的作用，這一過程本身也是對(duì)真理的追問和探求，是對(duì)人類最本源好奇心的不斷滿足。在超重元素領(lǐng)域，元素周期律還能否繼續(xù)發(fā)揮作用？原子核能夠成立的極限到底在哪里？新的元素是否能夠一直被制造出來，元素序號(hào)的極限在哪里？穩(wěn)定島真的存在嗎？……我們目前仍然無法回答的很多問題，將在未來逐漸找到答案。

在下一篇文章中，我們將為大家介紹合成超重元素的具體路徑及其中各種常人難以想象的困難。

參考文獻(xiàn):

1. https://stonewashersjournal.com/2017/11/03/element/

新元素を作る意味、莫大な研究資金を費(fèi)やす価値とは？

2. https://business.nikkei.com/atcl/opinion/15/217467/061100020/

“ニホニウム”に見る自然科學(xué)の意義と意味

3. https://kuir.jm.kansai-u.ac.jp/dspace/handle/10112/16478

Challenge to synthesis of superheavy elements

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超重元素合成研究の現(xiàn)狀と展望

5. https://www.jstage.jst.go.jp/article/kakyoshi/65/3/65_120/_pdf

周期表はと？こまて？拡張されるか

6. http://www.chem.sci.osaka-u.ac.jp/lab/shinohara/researches/she01.html

重元素の基礎(chǔ)知識(shí)