超铀元素合成

超铀元素合成

现在，化学元素周期表中一共有109种化学元素，排在第92号元素铀以后的元素称为超铀元素。迄今发现的绝大部分超铀元素，都是人工合成的放射性元素。

20世纪30年代初，化学元素周期表中最后一个元素是铀。1934年，意大利出生的美籍物理学家费米提出，铀不是元素周期表的终点，应当有原子序数大于92的超铀元素。

1940年，美国科学家麦克米伦等利用中子照射氧化铀薄片，发现了第一个人工合成的超铀元素——第93号元素镎，从此开始了人工合成超铀元素的新时代。紧接着，美国化学家西博格又发现了第94号元素钚，麦克米伦和西博格两人都因对超铀元素的研究和发现而荣获1951年度的诺贝尔化学奖。人工合成超铀元素的主要途径有两大类核反应。一类是中子俘获反应，它以铀原子核为起始核，利用一次或几次俘获中子的核反应，再经过一次或几次β衰变，使铀原子核所带的正电荷，即核电荷——原子序增加1或几，从而获得超铀元素。另一类是带电粒子核反应。由加速器产生的高能粒子轰击作为靶子的元素，形成激发态的复合核，然后通过蒸发失去一定数目中子即可得到比靶元素更重的元素。通过人工方法合成超铀元素，原子序越大，自发裂变几率越大，半衰期越短。目前，世界上人工合成超铀元素每年产量，钚为几吨，镎、镅、锔为数十公斤，96号以后的元素更少，每年全世界人工合成的98号元素锎仅有数十克。对原子序大于100的元素，人工合成产物低得可怜，一次实验往往只能产生几十个甚至几个原子。科学家们已经发明了高度灵敏的辐射探测仪器并掌握了非常高超的辐射探测技术，他们在仪器上安装了一个警铃，只要有一个钔原子生成，它衰变时放射出的标识辐射就会使警铃发出很响的声音，证明钔原子的存在。

1982年，德国达姆斯塔特国立重离子研究实验室用加速器进行合成新元素试验，他们以铁—58为子弹，以铋—209为靶子，用铁—58轰击铋—209。由于两种原子核发生聚变反应的机会很小，几率仅为十万亿分之一，即10—14，科学家们进行了长时间耐心地实验，经过一个星期的等待，最后才合成了109号元素的1个原子。

从1940年以来，全世界已经用人工合成的方法，制得了从93号到109号的17种超铀元素、160多种同位素。其中，第99号元素锿和第100号元素镄，都是1952年美国在比基尼岛上进行热核实验中获得的。在人工合成超重元素方面，美国、前苏联和欧洲科学家做出的贡献最多。1964年，前苏联报道合成了104号元素；1969年，美国也报道合成了104号元素；1967年，前苏联报道合成了105号元素；1970年，美国也报道合成了105号元素。前苏联和美国分别为这两个元素命名，引起激烈争论。后来，国际纯粹和应用化学联合会规定从103号以后的元素命名，以拉丁文和希腊文数词连接起来，加词尾表示，元素符号采用各数词第一个字母连接起来表示。从此，元素命名就不再争论了。

迄今已经发现和人工合成的元素有109种，同位素或核素的数目达到2000种以上。如果以核内中子数为横坐标、质子数为纵坐标，把所有稳定的和放射性核素都标示在坐标图上，就可以明显地看出，自然界中已知的稳定核素都聚集在中子数接近质子数的一定范围内，平面图上称为稳定线或稳定带；在立体图中，如果把不稳定核素分布的区域称为海洋的话，则可把稳定核素分布的区域称为稳定半岛。这个稳定半岛是高低不平的，它表示核的稳定程度不同。1948年，美籍德国物理学家梅耶夫人和德国科学家詹森分别独立地发现，当核内的质子数和中子数为2、8、20、28、50、82和126等数时，原子核就稳定，这就是著名的幻数理论。梅耶夫人和詹森进一步研究原子核的壳层理论，并于1963年荣获诺贝尔物理学奖金。核内质子数和中子数为幻数时，核就处于稳定的山峰地带，该同位素的丰度也较大。这些不稳定的原子核可以通过β衰变、α衰变等过程，使其中子、质子数趋近或完全变成幻数，成为稳定核、进入稳定半岛。

空中核爆炸的发展过程

20世纪60年代，物理学家预言超重核稳定岛正是基于幻数理论做出的。他们指出，下一个双幻数为质子数114、中子数184，这个双幻数核的原子序为114、质量数为298，将特别稳定。1983年联邦德国科学家普特利兹指出，从理论上计算，应当有8000种核素，现在仅观察到四分之一，要设法找到另外6000种核素。1986年，理论计算值又推测质子数在108～111、中子数近似164的核相当稳定，这些质子和中子的组合可以形成近百个超重稳定核，在立体坐标图中形成一个离开稳定半岛前端的超重核稳定岛。虽然寻找超重稳定元素的实验未获成功，但化学家们一直相信，在已知双幻数核铅—208以后，存在下一个双幻数稳定核是完全可能的。即使超重岛上元素的寿命达不到预言的那么长，也会有一定的相对稳定性。一些科学家认为，重离子合成反应是合成超重元素的一个重要途径，人工合成超重元素是通往超重岛的探索之舟。

知识有如人体血液一样宝贵。人缺了血液，身体就会衰弱；人缺少知识，头脑就要枯竭。

——高士其