超重元素

更新时间:2022-06-30

超重元素是指根据核理论预言可能存在的原子序数大于110的化学元素。相对应的原子核称为超重核

基本信息

中文名超重元素
开始于20世纪中期以来
发现了原子核壳模型理论
外文名super heavy elements

预言来源

根据核理论预言可能存在的原子序数大于 110的化学元素。相对应的原子核称为超重核。自从1940年人工合成93号元素镎和94号元素钚以来,元素周期表就开始“延长”。随着超钚元素的陆续合成,元素周期表究竟能延长到哪里的问题很自然地就提到了人们的面前,为了回答这个问题,在1966年前后,核理论工作者根据原子核的壳层模型理论(见核模型)提出了关于超重元素存在的预言。

预言的提出  20世纪20年代末发展起来的原子核壳层模型理论解释了周期表中具有2、8、20、28、50、82和 126等幻数的核的丰度较大和特别稳定等实验结果。1948年以来,美国物理学家M.G.迈尔等强调了质子数Z或中子数N为幻数的原子核的特别稳定性。1959年丹麦物理学家S.G.尼尔松等将尼尔松单粒子能级图外推到,显示出 的壳层效应。1960年前后瑞典物理学家S.A.E.约翰松在普遍液滴模型基础上,利用尼尔松轨道作了壳修正;他的计算证明,在附近可能存在寿命足够长的核。1965~1966年迈尔等推广了液滴模型公式,并在核近似为球形时加以壳修正,从半经验质量公式出发,预言超重核稳定岛的存在。裂变势垒高达几兆电子伏。苏联物理学家B.M.斯特鲁宾斯基发展了壳修正法,提出为质子幻数。1969年尼尔松等全面系统地进行了计算和讨论,得出了、的核298114为双幻数核,围绕它可能存在一个由成百个超重核组成的稳定岛,其中寿命最长的可达108年。1972年核物理学家 E.O.菲塞特等预测最稳定的超重核自发裂变半衰期可达 1015年。1976年丹麦核物理学家J.朗德鲁普等又进一步修正计算模型,预测最稳定的超重核自发裂变或α衰变半衰期约为1年。可见根据不同模型计算出来的超重核半衰期能相差几十个数量级。1977年美国核物理学家J.R.尼克斯等估计, 由于计算采用单粒子能级图以及计算模型等因素,使超重核自发裂变半衰期预测值的不确定因子达。1986年联邦德国核化学家P.默勒等引进他们提出的壳修正,应用一个半经验关系式计算超重核的自发裂变或α衰变的半衰期仅为1~2秒,这一结果使得寻找超重元素的研究面临着十分困难的局面。

寻找途径  自从60年代中超重元素理论预言提出后,实验工作者通过以下三种途径寻找它们:①新建和改建一些重离子加速器,根据各种设想的重离子反应机理,使用更重的入射离子轰击重元素靶,进行人工合成超重元素。设计并已使用过的核反应有:但实验结果都是否定的。②用高空气球、宇宙飞船等运载工具,带着核乳胶和其他探测器寻找宇宙射线中可能存在的超重核。曾使用核乳胶叠和核乳胶、聚碳酸酯与醋酸纤维组成的混合叠等探测装置,升至约40公里高空进行探测,但未获得肯定结果。③在地球和陨石物质以及月球样品中,用X射线荧光光谱分析法、质谱法以及各种核探测方法等寻找可能存在的长寿命的超重元素。已寻找的物质包括不同来源的陨石、月岩月尘、金、铜、铂、铅、汞、钼、锌、镍等几百种矿物,金属冶炼厂的烟道灰、阳极泥,海底锰结核,以及数以千克计的纯铂、汞、铅、钨等样品。但结果都是否定的。

未发现的原因  为了克服重离子靶核间的库仑势垒,发生全融合反应,就必须提高重离子的能量;提高能量的后果常使剩余核处于高激发态,很容易发生裂变,因而影响形成超重核。由于重离子反应截面低,需要提高重离子束流强度,至少应再提高三、四个数量级,一般加速器尚无法满足这一要求。为了实现超重核的人工合成,核化学家提出了用冷融合反应合成超重核的设想。1985年默勒提出下述反应合成271110:

美国核化学家A.吉奥索提出另一冷融合反应:

此外,还有用较小原子序数的重离子轰击重超铀靶的设想,如:

上述设想能否实现,有待实验的检验。

理论预测超重核的半衰期的误差非常大,而超重核的半衰期可能远小于108年。这样一来,在地球形成时可能存在的超重核都已衰变完了,所以在矿物、岩石等样品中没有找到。若其半衰期小于105年,则宇宙射线中可能存在的超重核也将于它们到达地球之前衰变完了,因此在宇宙线中也无法找到它们。若超重核的半衰期果真为108年左右,那么迄今没有找到它们可能的原因是:①宇宙中自然合成超重核的几率非常小,从现有的数据来看,自然界重元素的合成,主要是通过快中子吸收过程,但这一过程可能达不到超重区;而重离子反应合成的截面可能也极小,所以在自然界合成超重核的数量极少,不易发现。②寻找方向上还带有某些盲目性,在一些工作中,样品的选择多半只着重考虑化学性质的同族相似性(如铅中找类铅、铂中找类铂等),而较少注意对现有的同位素地球化学规律的应用。③超重核分散在非常大量的基体当中,由于浓集方法有问题,使超重核浓集不起来或丢失。④样品中的超重核含量极微,由于探测器灵敏度还不够高,分辨不出来。

十几年来寻找超重元素的种种实验,虽未获成功,但从壳层模型理论对已有实验事实的成功解释来看,在铅208双幻数核以后,还是有可能存在下一个双幻数核的。也就是说,可能存在一个超重核稳定岛。即使岛上超重核的寿命达不到预测值那样长──稳定岛不像理论预测的那样高或大。但岛上原子核的寿命肯定比其周围的原子核要长,足以用核探测器测定。持乐观态度的核化学家认为,稳定岛的存在是无疑的,重离子合成反应可能是合成超重核的比较现实的途径。

参考书目

C.克勒尔著,《超铀元素化学》编译组译:《超铀元素化学》,原子能出版社,北京,1977。(C. Keller, TheChemistry of the Transuranium Elements, Verlag Chemie, Weinheim, 1971.)


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