我们为什么要合成超重元素？

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资料来源:中国展望

什么是超重元素，为什么自然界没有超重元素？

原子核位于原子的中心，占据了整个原子的大部分质量。它由带正电荷的质子和电中性中子组成。质子和中子统称为原子核，它们通过核力相互结合。原子数等于质子数，质子数和中子数之和称为质量数。质子数相同但中子数不同的原子核叫做同伦。一般来说，原子序数越大，质量数越大，原子核越重。因此，在本文中，我们使用术语“重核”来指具有非常大的原子序数的核。其中，原子序数超过104的原子核被称为超重核。

到1925年，人类已经发现并分离了元素92铀和自然界中所有先前的元素。元素93(所谓的超铀元素)是通过人工合成发现和证实的。我们在前一篇文章中提到，地球上几乎所有铁背后的重元素都来自太阳系诞生期间的超新星爆炸或中子星合并。

那么，我们能否得出结论，上述两个来源最多可以构成元素92？答案是否定的，理论上，超新星爆炸与中子星融合时产生的巨大能量足以合成更重的元素。例如，元素93和94最初是通过人工方法合成的，但在铀矿石中发现了微量元素93和94，这表明天然来源的重核不仅能到达元素92铀。

那为什么自然界中几乎没有超铀元素呢？问题的关键是，一般来说，元素越重，原子核就越不稳定，超重的原子核有很大的衰变趋势，在很短的时间内会转化成其他更轻的原子核，直到它能稳定存在。因此，即使超重的原子核是由其他恒星产生的，它们也无法存活到今天。

事实上，已知存在稳定同位素的最重的原子核是82号元素铅，此后的所有重核都或多或少有衰变趋势。具体来说，重核以两种方式衰变。一种是α衰变，即通过将α粒子(即氦-4、氦核)释放到原子序数为负2的较轻的原子核中，这一过程将重复进行，直到原子核能够稳定存在。另一种方式叫做自发核裂变，它通常发生在原子数在100左右的超重核上。这时，超重的原子核会自发分裂成两个原子数相似的轻原子核。

超重元素衰变的本质是什么？

1.作用在原子核上的核力是多少？

那么，为什么重原子核，尤其是超重原子核，有很大的衰变趋势呢？这个问题也始于构成原子核的原子核之间复杂的相互作用。我们已经提到过，质子和中子之间有一种吸引力——核力。解释核力的原因涉及粒子物理学中的短程强相互作用。我们不会扩大解释。读者只需要把核力理解为原子核之间的短程相互吸引。

在原子核的中心附近，原子核被它周围的其他原子核所包围，核力将在这里发挥最大的作用。相反，位于原子核表面附近的原子核在外面没有其他原子核，所以原子核之间的相互吸引在原子核表面会减弱。对于原子序数小、核数少的轻核，暴露在核表面附近的核占核总数的比例较高，因此核之间的结合力较小。重核的情况正好相反。原子核之间的结合力相对较大。

2.什么是库仑力？

根据上述分析，原子核越重，原子核之间的核力的结合作用就越大。看来重原子核应该更稳定。然而，这个想法忽略了质子之间存在的静电排斥力，即库仑力。

库仑力是存在于整个核范围内的长程相互作用。质子会互相排斥，因为它们都带正电荷。原子核越重，包含的质子越多，它们之间的静电排斥越强，就越容易导致原子核的分裂和衰变。最后，根据元素重量的顺序，每个核的平均结合能具有先增加后减少的过程，并且在元素26铁附近达到最大值。可以说铁原子核是自然界中最稳定的原子核。我们前一篇文章中提到的中子星有一个铁芯，而地球的铁芯主要由铁组成，这一事实与铁芯的稳定性有关。

元素平均结合能变化趋势及核力和静电力作用范围示意图，来源:作者自制

详情请看真正的章节——原子核中的核排列非常神秘。

1.影响核稳定性的因素

如果我们仔细看一下上一篇文章所示的太阳系元素含量分布图，就会发现随着元素数量的增加，在整体含量下降的趋势下，仍然有一些小的峰值，如元素氧8号、元素铁28号和元素铅82号。

用MHz`as表示的太阳系元素丰度示意图

这些峰的存在意味着除了原子序数，我们还有其他因素可以影响原子核的稳定性。这个因素是核内的核排列。

类似于原子核外电子的壳层结构，原子核内的质子或中子也有类似的排列规则。当质子或中子的数量达到充满一个壳层的程度时，原子核将处于最稳定的“封闭壳层”状态。处于封闭壳层状态的原子核称为“魔核”，满足封闭壳层状态的质子或中子数称为“魔数”。如果质子和中子的数量同时满足幻数，处于这种状态的原子核被称为“双幻核”。

2.为什么全壳层中的核排列更稳定？

至于为什么全壳层中的核排列更稳定，我们可以想象一个可能不合适的例子。当我们邮寄书籍等大件物品时，我们经常会想办法让书籍尽可能填满包装箱的整个空间。这种“尽可能装满”的方法可以通过限制书的相对位移来防止书的位置在运输过程中移动，从而防止包装盒被损坏。

满足幻数的质子数是，2，8，20，28，50，82...；满足幻数的中子数是2，8，20，28，50，82，126。例如，包含82个质子和126个中子的铅-208是一个非常稳定的双魔核，所以太阳系中的铅含量相对于其他邻近元素有峰值就不足为奇了。至于为什么幻数取上述值，我们就不讨论了。感兴趣的读者可以自己查阅相关信息。

核的同位素稳定性图和壳模型图，来源:见图

赛艇稳定岛-铅后有稳定的重元素吗？

目前，已知(已验证)的质子幻数高达82。许多读者可能已经问过在那之后是否还有更重的质子幻数。事实上，物理学界对这个问题的兴趣已经保持了近一个世纪。此外，如果有一个更大的幻数，有可能在铅后形成稳定的超重核吗？

自20世纪60年代以来，为了回应上述讨论，物理学界提出了超重元素的“稳定岛”假说。如果稳定的元素像高耸的陆地，那么不稳定的元素就像无尽的海洋。那么超重元素的稳定存在就像海洋中水面上的一个岛屿。为了找到下一个满足幻数条件的重核，无数的研究者正孜孜不倦地工作着，带着他们自己的痴迷和民族尊严。

稳定岛示意图，来源:见图

根据核物理的预测，质子数114和中子数184将成为下一个稳定的双幻数组合。许多实验事实给了科学家极大的鼓舞。例如，尽管原子核中的中子数仍远非幻数184，但成功制造的元素114确实比附近超重的元素具有更长的寿命。此外，增加超重核中的中子数量，使它们更接近幻数184，也能增加超重核的寿命。例如，在元素Cn 112的两种同位素中，Cn-285的寿命是Cn-277的50，000倍。

尽管稳定岛理论仍处于假设阶段，但它所描绘的前景足够引人入胜。许多站在世界前沿的研究机构投入了无数的资金和精力来寻找这个传奇的岛屿。即使稳定性不能达到铅-208的水平，只要它的寿命不像其他类似元素那样短暂，我们肯定会发现这种超重元素的潜在用途。它将不再是只能在实验室中存在几毫秒的“镜花隐月”。

超重元素合成的伟大成就

合成超重元素的意义不仅仅是找到一个稳定的岛屿。首先，合成超重元素的过程可以帮助我们进一步理解原子核内部的运行机制，这是物质世界的终极奥秘之一。只有在正确理解法律的基础上，我们才能尝试运用它。人类科学史上有许多类似的例子。电磁波和光的性质，重力和引力，以及基本例子的性质等。在它们被大规模应用之前，我们已经知道并掌握了许多年。

双星合并产生的引力波示意图，来源:见图

其次，虽然现有的核物理理论已经可以预测和推断超重核的性质，“可预测”和“实际观察”显然是两个完全不同的层次。在科学史上，有不少科学事实与人类的预测背道而驰。意想不到的法律常常成为引发新技术革命的导火索。即使预测与实际情况完全一致，它也具有重大意义。在目前超重元素的合成过程中，还没有颠覆性的科学发现，但现有的相对论力学、粒子物理学和量子理论等科学理论在这一过程中已经得到了反复的证实和加强。

最后，不断挑战新超重核的制备不仅可以提高和提升人类现有的技术水平，而且这个过程本身就是对真理的探索和探索，是对人类最原始的好奇心的不断满足。元素周期定律能在超重元素领域继续发挥作用吗？原子核能承受的极限是多少？新的元素可以一直制造吗？元素数量的限制是什么？稳定岛真的存在吗？......我们仍然无法回答许多问题，将来会逐渐找到答案。

在下一篇文章中，我们将介绍合成超重元素的具体路线和普通人无法想象的各种困难。

参考:

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

新元素、巨额研究资金和成本的含义是什么？

2.http://business . Nikkei . com/atcl/opinion/15/217467/061100020/

从“易”和“易”看自然科学的意义和意义

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

超重元素合成的挑战

4.http://www.aesj.or.jp/~ndd/ndnews/pdf87/No87-12.pdf

超重元素合成的现状与展望

5.http://www . jstage . jst . go . jp/article/kako yoshi/65/3/65 _ 120/_ pdf

元素周期表和相关文件

6.http://www.chem.sci .大阪-u . AC . jp/lab/Shinohara/research/she 01 . html

重元素基础知识