趙恩廣 (中國科學(xué)院理論物理研究所)
1 什么是超重元素和超重穩定島
1869年2月17日,俄羅斯化學(xué)家門(mén)捷列夫首次公布了他所排列的元素周期表。當時(shí),只有63種元素。1894~1900年氣體氬,氦,氖,氪,氙和氡陸續被人們發(fā)現。據此,門(mén)捷列夫又改進(jìn)了元素周期表。從那時(shí)起的五十多年的時(shí)間有三十多種元素被發(fā)現或在實(shí)驗室里產(chǎn)生。所有這些元素,都能成功地安排在門(mén)捷列夫的元素周期表里。這真是一學(xué)上的奇跡。可是,周期表的奇跡,并沒(méi)有停留在經(jīng)驗規律的水平上。隨著(zhù)量子力學(xué)的建立,原子的電子殼層結構出來(lái)。人們發(fā)現,元素的周期性完全與核外電子殼層的周期性一致。也就是說(shuō),周期表的這些驚人的成就,深刻而準反映了原子的微觀(guān)結構。元素周期表構筑了元素自然分類(lèi)的完整體系,揭示了元素之間的內在聯(lián)系,成為宇宙最基本的規律之一。為紀念門(mén)捷列夫的杰出貢獻,把1955年在美國的Berkley實(shí)驗室產(chǎn)生的101號元素,命名為Mendelevium (Md,中文譯為鍆)。到上世紀末,已經(jīng)有110多種元素被發(fā)現或人工產(chǎn)生。如果把他們的同位素都統計在一起,已經(jīng)有3000種核素被發(fā)現或人工產(chǎn)生(每個(gè)元素或其同位素對應的每種原子核,稱(chēng)為一個(gè)核素)。但是,元素周期表也留給人類(lèi)一個(gè)巨大的懸念:它有沒(méi)有盡頭。如果有,那么,盡頭在哪里,最重的元素的原子序多少?回答這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵,是位于原子中心的原子核能有多重,它最多能有多少個(gè)質(zhì)子和中子。對此,原子核物理已經(jīng)研究了多年。把中子和質(zhì)子束縛在一起的是力程很短的強相互作用,即核力。它所引起的位能近似正比于粒子N。但是,質(zhì)子之間還有力程很長(cháng)的庫侖排斥力。它所引起的位能近似正比于質(zhì)子數目Z的平方。這就是說(shuō),在原子核不太重時(shí),核力造成的吸引位能占主導地位。當原子核很重時(shí),長(cháng)程的庫侖排斥作用,就有可能超過(guò)核子之間的短程吸引作用。根據原子核的液滴模型,當一個(gè)原子核中的質(zhì)子數目超過(guò)106時(shí),這種情況就要發(fā)生。也就是說(shuō),原子序數似乎不能超過(guò)106。不過(guò),當人們應用更合理的模型做估算時(shí),特別是考慮到原子核結構的殼層效應后,原子序數不但可以超6,而且在114到120之間,可能會(huì )有一些壽命很長(cháng)的原子核。習慣上,人們把原子序數小于20的原子核叫輕核,原子序左右的原子核叫重核。而103或105號元素以后的原子核,就叫超重原子核。這些長(cháng)壽命的超重原子核在核素表中所占據的區域,稱(chēng)為超重穩定島。從上世紀60年代起,人們就開(kāi)始研究這些原子核的性質(zhì)及其產(chǎn)生途徑。超重元素的性以及超重穩定島的存在與否,是對目前的原子核理論的重要檢驗。如果超重穩定島確實(shí)存在,這些元素和原子核的性如何,則不僅是對當前物理界的挑戰,對化學(xué)界的挑戰,還會(huì )給宇宙中元素的合成,星體演化帶來(lái)重大的影響。因此重元素的研究,不僅是核物理的重大前沿領(lǐng)域之一,還是自然科學(xué)的一個(gè)重要的基本問(wèn)題。
2 在自然界尋找超重元素
在超重穩定島的理論預言推動(dòng)下,實(shí)驗核物理學(xué)家開(kāi)展了大量的研究工作。首先,人們開(kāi)始在自然界尋找超重元素或者超重元素的痕跡。根據一些理論估計,穩定島內的有些元素可能在5億年前,即在我們的太陽(yáng)系進(jìn)行最后核合成時(shí)就已經(jīng)形成,其中一些長(cháng)壽命的元素應該在地殼中仍能找到它們的蹤跡。基于這一觀(guān)點(diǎn),各國的一些學(xué)者努力從自然界的各種礦物中去超重元素或者它們的裂變事件。諸如方鉛礦,金礦石,鉑礦砂,海底的錳結核,月球巖石以及由太空飛落到地球上的都被分析過(guò)。但是,這些努力全都以失敗告終。
3 在實(shí)驗室里合成超重元素的主要進(jìn)展
既然在自然界尋找不成功,人們就轉向在實(shí)驗室內去產(chǎn)生它們。比鈾重的元素,直到100號元素鐨,基本都是將靶核放在反應堆的強流中子的輻照下,通過(guò)中子俘獲,再衰變,從而使靶核的質(zhì)子數增加來(lái)產(chǎn)生的。這些工作,主要是上個(gè)世紀中期在美國的Berkeley 實(shí)驗室進(jìn)行的。例如1952年第一次合成的100號元素鐨的同位素,就是鈾238吸收17個(gè)中子,再經(jīng)過(guò)8次衰變而得到。但是,對于比100號元素鐨還元素,上面的辦法就不行了。因為裂變的提前發(fā)生,使中子俘獲的過(guò)程中斷了。最后,人們把主要的精力放在用加速器,通過(guò)重離子反應來(lái)產(chǎn)生超重元素。所謂重離子反應,就是用加速器加速一比較重的原子核,使它與另一個(gè)重的原子核相碰撞。由于原子核是帶正電的,要它們相撞,就必須要克服它們之間斥力(又叫庫侖位壘)。這個(gè)能量,是由加速器加速一個(gè)原子核來(lái)得到。比如,48Ca和243Am之間的庫侖位壘約為236MeV人們就至少要把48Ca加速到動(dòng)能為236MeV,才能使這兩個(gè)原子核靠近并相撞。如果考慮到實(shí)驗室坐標系到質(zhì)心坐變換,這個(gè)能量還要高一些。一開(kāi)始,人們試圖用兩個(gè)很重的原子核相撞,比如,用鈾核與鈾核相撞,來(lái)產(chǎn)生超重元素。經(jīng)過(guò)多年的努力發(fā)現這種反應的產(chǎn)物很多,卻總是找不到更重的產(chǎn)物。這時(shí),人們開(kāi)始認真地研究重離子核反應的反應機制,結果發(fā)現兩量幾乎相等的重原子核相撞,碎裂或者再度離開(kāi)的幾率非常大,很不利于超重元素的形成。因此,提出了用兩個(gè)質(zhì)較大的原子核相撞,通過(guò)兩核熔合的機制來(lái)合成超重元素。熔合反應又分為冷熔合和熱熔合。在冷熔合中,形成的超重核的激發(fā)能比較低;一般蒸發(fā)1-2個(gè)中子,就可以到達原子核的基態(tài)。而熱熔合反應生成的復合核的激發(fā)能比較高發(fā)3-4個(gè)中子,才能退激到基態(tài)。107-112號元素,就都是在德國的GSI(德國重離子物理中心)用冷熔合反應合成的如,剛命名為Rg的111號元素的生成反應是,64Ni+208Pb→272Rg+ n。在俄羅斯的杜布納聯(lián)合核子研究所,則喜歡用熱熔合反應來(lái)合成超重元素。113,114,115,116 和118號元素就是在那里用熱熔合來(lái)合成的。今年10月所發(fā)表的118號元素,是用如下的熱熔合反應合成的,
249Cf+48Ca→294118 + 3n 。
4 合成超重元素的一些困難
首先是合成超重元素的重離子熔合反應的截面很低。比如,在日本用冷熔合生成的113號元素,是經(jīng)過(guò)近一年的間,共用有效束流時(shí)間80多天,才得到幾個(gè)原子。其次,到目前為止所生成的超重元素及其同位素的壽命都很短,大多在秒和毫秒的量級。數量少和壽命短,就帶來(lái)很大的困難,無(wú)法直接測量它們的質(zhì)量和電荷。目前,都是測量它們的α衰變鏈來(lái)推斷出超重核的質(zhì)量和電荷就要求α衰變鏈的終端是一個(gè)已知的原子核,人們才能準確地得到超重核的質(zhì)量數和電荷數。遺憾的是,在杜布納合得到的所有超重元素及其同位素,沒(méi)有一個(gè)α衰變鏈的終端是已知的原子核。因此,他們的所有結果都需要進(jìn)一認。到目前,只有在GSI合成的107-112號元素及其同位素和在日本RIKEN合成的113號元素,得到了國際上的認可,以前的元素得到了國際組織的命名。現在,人們已經(jīng)合成到113號元素或者把杜布納的結果也包括進(jìn)來(lái),似乎已經(jīng)合成了很多超重元素。但是,它們命都很短,最長(cháng)的也不到一個(gè)小時(shí)。這也就是說(shuō),人們得到了超重元素,但并沒(méi)有登上超重穩定島。其主要原因是這些核素,都是缺中子的。以杜布納合成的289114為例,它的壽命只有21s。而理論預言的長(cháng)壽命的114號元素的原子核當為298114,即杜布納的結果離穩定線(xiàn)還缺大約9個(gè)中子。為了使合成的超重核不缺中子,就要用兩個(gè)豐中子的原子核相熔合。但是,目前還找不到這樣的“彈靶”組合。現在常用的豐中子炮彈是48Ca,它是很貴的,1克的48Ca要20萬(wàn)美圓合成112-116號元素及118號元素的兩個(gè)原子,杜布納在5年的時(shí)間里,用掉了14克的48Ca。就是這個(gè)昂貴的48Ca,也到期望的中子豐度。因此,如何使合成的超重核素不缺中子,是攀登超重穩定島必須克服的重大難題。當然,增大加速器的流強,提高探測器的靈敏度,探索新的合成機制,進(jìn)一步明確超重穩定島的位置,似乎也是要解決的重要問(wèn)題。但是前看,在這幾個(gè)方向上難以有重要進(jìn)展。在自然界尋找的困難更大。不過(guò),至今人們也還沒(méi)有完全放棄努力。2004布納與法國的一些同行,提出了一個(gè)在鋨(Os)礦中尋找超重核放射性的計劃。其根據是,108號元素的化學(xué)性質(zhì)與似。但是,至今未見(jiàn)其結果的報道。
5 美國B(niǎo)erkeley 國家實(shí)驗室的丑聞
由于合成超重元素的重大科學(xué)意義,在這個(gè)領(lǐng)域中的國際競爭是很激烈的。最先合成或發(fā)現元素的實(shí)驗室命名有建議權。為了爭得這個(gè)榮譽(yù),有時(shí)就有些不擇手段。著(zhù)名的Berkeley 實(shí)驗室于1999年8月在美國的物理評論上發(fā)表文章,宣稱(chēng)他們用如下的冷熔合反應合成了118號元素,86Kr+208Pb→293118 + n,再由293118經(jīng)過(guò)α衰變,得到289116。文章署名的作者有15個(gè)人,第一作者是V.Ninov,其中還有幾位國際知名的核物理家。接著(zhù),德國的GSI在同樣的條件下,重復這個(gè)實(shí)驗。但是,GSI卻得不到這兩個(gè)元素。隨后,日本和法國也重復了實(shí)驗,他們也宣布,無(wú)法得到Berkeley 的結果。面對國際上的廣泛懷疑,Berkeley 實(shí)驗組只好在2001年4月重做這個(gè)驗。據說(shuō),這次在分析實(shí)驗數據時(shí),是好幾個(gè)人分別進(jìn)行的。而1999年的實(shí)驗數據分析,是由Ninov一個(gè)人做的。這據分析結束時(shí),Ninov仍然宣稱(chēng)又觀(guān)察到118號元素的α衰變鏈。但其他幾個(gè)人的分析結果表明,實(shí)驗數據中并沒(méi)有上次驗中的α衰變鏈,也沒(méi)有Ninov這次宣稱(chēng)的α衰變鏈。這樣,問(wèn)題就嚴重了。以后,又經(jīng)過(guò)兩個(gè)工作組的檢驗與復核,出結論,1999年的實(shí)驗并沒(méi)有得到116和118號元素。在2002年7月的一期物理評論快報上,刊登了除了Ninov以外的人的聲明,宣布撤消1999年的稿件。對于Ninov,由于偽造數據而被Berkeley實(shí)驗室解雇。事件似乎到此就結束了是,學(xué)術(shù)界對此仍然有疑問(wèn),事件的責任的只是Ninov一個(gè)人嗎?正如最后審查此事件的委員會(huì )的報告中所指出的“稱(chēng)發(fā)現118號元素的這么重要的實(shí)驗數據,該實(shí)驗組中只有一個(gè)人來(lái)處理,而沒(méi)有其他人參與,是令人難以相信的。
6 我國的進(jìn)展情況
在重元素的合成上,美國的Berkeley 實(shí)驗室起著(zhù)先驅的作用。超鈾元素的大部分是在這里發(fā)現或確認的。將103號以上的元素稱(chēng)為超重元素的話(huà),在1969-1974 的五年間,104,105 和106號元素也是在這里產(chǎn)生的。與此同時(shí)斯Dubna也先后合成了104和105號元素的幾個(gè)同位素。德國GSI在1975年建成了重離子直線(xiàn)加速器(UNILAC)和重余核別設備SHIP,使得他們可以分離壽命短至幾個(gè)微秒的蒸發(fā)余核并測量其衰變。從1981年到1996年,他們采用冷熔合手段先后合成了原子序數為107,108,109,110,111,112 等6種新元素的一系列同位素,在超重元素合成的領(lǐng)域中遙遙領(lǐng)是,在合成了112號元素以后,他們的進(jìn)展幾乎停了下來(lái)。這時(shí),俄羅斯的杜布納采用熱熔合手段,合成了113,114,115,116 和118號新元素及一些同位素。其成就也是相當引人注目。但是,他們所觀(guān)測到的這些核素的α衰變鏈,沒(méi)有一個(gè)能和已知的原子核相連接。因此,杜布納的這些結果都需要進(jìn)一步確認。在亞洲,日本于2004年首次合成了113號元素,他們觀(guān)測到的α衰變鏈是連接到已知原子核的。這樣,了發(fā)現超重元素的第一個(gè)亞洲國家。我國的實(shí)驗核物理學(xué)家,特別是中國科學(xué)院近代物理所的實(shí)驗家們,近十幾年產(chǎn)生新核素方面,進(jìn)行了卓有成效的努力。先后,共發(fā)現了20多種新核素。但是,由于我們的加速器和探測器,都明后于德國、俄羅斯、美國和日本,要開(kāi)展超重元素的深入而廣泛的研究,特別是要在我國合成新元素,是有很大困但是,它們仍然立足于本國的現實(shí),積極努力地開(kāi)展研究工作,已經(jīng)取得了令人鼓舞的成果。在2000年,蘭州近代物理所成功地合成了105號元素的同位素259Db,這是我國實(shí)驗核物理學(xué)家第一次進(jìn)入超重領(lǐng)域。接著(zhù)在2004年,他們又合成了107號元素的同位素265Bh。這樣在核素表中的超重區域,填寫(xiě)上了中國人的數據。我們的實(shí)驗物理學(xué)家還開(kāi)展了廣泛的際合作,參與了德國GSI和日本RIKEN(理化研究所)的一些超重實(shí)驗。日本在2004年合成的113號超重新元素,就有國的實(shí)驗學(xué)家參加。我國的超重理論研究,大約在10年前才開(kāi)始,約比國外晚30年左右。但是,由于理論研究受條制較少,取得的進(jìn)展是比較顯著(zhù)的。北京大學(xué),南京大學(xué),北京師范大學(xué),原子能研究院的很多學(xué)者,都先后開(kāi)展了超重核結構和反應的研究。特別是,以中科院蘭州近代物理所和理論物理所部分理論家為主體的超重合作組,對超重熔合反進(jìn)行了比較深入系統的研究,取得了很多重要成果。他們還與德國,俄羅斯和日本的理論家,以及德國GSI的實(shí)驗家了很好的交流與合作關(guān)系。目前,他們正在與我國的實(shí)驗家密切配合,探討制訂我國在超重領(lǐng)域內取得突破性進(jìn)展的究計劃和實(shí)驗方案。