我們為什麼要合成超重元素?傳說中的穩定島真的存在嗎?

什麼是超重元素，自然界中為什麼不存在超重元素？

出品：科普中國

製作： 張昊（大阪大學）

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

在上一篇文章（地球上那麼多元素都怎麼來的？你的金飾其實來自星星）中，我們為大家介紹了鈾為止的各種元素在宇宙中漸次合成的機理。在這篇文章中，我們將繼續沿著周期表中元素序號增加的方向，著眼於超重元素的人工合成這一話題

圖片來源：視覺中國

什麼是超重元素，自然界中為什麼不存在超重元素？

原子核位於原子中心，佔據整個原子絕大多數質量，由帶正電荷的質子和電中性的中子構成。質子和中子統稱為核子，二者通過核力彼此結合為整體。原子序數與質子數等同，質子數和中子數的和稱為質量數。具有相同質子數而中子數不同的原子核稱為同位體。一般而言，原子序數越大，質量數也就越大，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非常大的原子核。其中，原子序數104以上的原子核，稱為超重核。

截止1925年，人類已經在自然界中發現並分離出了92號元素鈾及之前的全部元素，93號元素開始（即所謂的超鈾元素），都是通過人工合成方式發現和確認的。我們已經在上一篇文章中提到了地球上鐵之後的重元素幾乎全部來自於太陽系誕生時期的超新星爆發或中子星合併。

那麼，是否可以下結論說上述兩種來源最多可以製成92號元素呢？答案是否定的，理論上來說，超新星爆發和中子星合併時候所產生的巨大能量足以合成更重的元素。例如，93、94號元素最初由人工方式合成，但之後在鈾礦中發現了它們的痕量存在，這說明自然來源的重原子核並非只能到92號元素鈾為止。

那為什麼自然界中幾乎不存在超鈾元素呢？問題的關鍵在於，通常來說元素越重原子核的不穩定性越強，超重原子核存在極大的衰變傾向，製成後在極短的時間內就會轉變為其它更輕的原子核，直到能夠穩定存在為止。因此，即便超重原子核曾經被其它星體製造出來，它們也無法存留至今。

實際上，人類已知的有穩定同位素存在的最重原子核是82號元素鉛，之後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）變成原子序數減2的更輕原子核，這一過程會反覆進行直到該核可以穩定存在為止。另外一種方式稱為自發核分裂，通常發生在原子序數在100號左右的超重核上，此時超重核將會自發分裂為兩個原子序數相近的較輕原子核。

超重元素發生衰變的本質是什麼？

1.什麼是作用於核子間的核力？

那麼，為什麼重原子核，特別是超重原子核具有極大的衰變傾向呢？這個問題還要從構成原子核的核子們之間存在的複雜相互作用說起。我們已經提到過質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，核力在此處將發揮最大限度的效用。與之相對，位於原子核表面附近的核子由於外側不存在其它核子，因此核子間的相互引力在原子核表面將變弱。對於原子序數較小且核子數目較少的輕原子核而言，其暴露於原子核表面附近的核子相對於全體核子數的比例較高，因此核子間的相互結合力較小。重原子核的情形與之相反，核子間的結合力相對較大。

2.庫侖力是什麼？

按照上述分析，原子核越重，核子間的核力將發揮更大的結合作用，重原子核似乎應該更加穩定才對。但是，這種想法忽略了存在於質子間的靜電斥力，即庫侖力。

庫侖力是一種在整個原子核範圍內都存在的長程作用，質子間由於都攜帶正電荷，因此將相互排斥。而原子核越重，所含有的質子也就越多，相互間的靜電斥力就越強，也就越容易導致原子核的解體衰變。最終，平均到每一個核子上的結合能按照元素輕重順序存在一個先增大後減小的過程，並在26號元素鐵附近達到最大值。可以說，鐵原子核是自然界中最為穩定的原子核。我們在上一篇文章中提到的中子星存在鐵核心，以及地球內核主要由鐵構成等事實皆與鐵核的穩定性存在關聯。

細微之處見真章——原子核內的核子排布大有玄機

1.影響原子核穩定的因素

如果我們再仔細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，可以發現隨著元素序號的增加，在整體含量的下降趨勢之下，還存在若干小型峰位，例如8號元素氧，28號元素鐵以及82號元素鉛等。

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，還存在著其它可以影響原子核穩定性的因素。這一因素就是原子核內的核子排布方式。

與核外電子存在殼層結構類似，原子核內部的質子或中子也存在類似的排布規則。當質子或中子數正好達到填滿某殼層時，原子核將處於最為穩定的「閉殼」狀態。處於閉殼狀態的原子核稱為「幻核」，滿足閉殼狀態的質子數或者中子數稱為「幻數」。如果質子數和中子數同時滿足幻數，則稱這種狀態下的原子核為「雙幻核」。

2.為什麼滿殼層的核子排布更穩定？

關於為什麼滿殼層的核子排布更加穩定，我們可以設想一個也許不太貼切的例子。當我們郵寄書籍一類較重的物品時，經常會想辦法讓書本儘量填滿包裝箱的全部空間。這種「儘量填滿」的方式可以通過限制書本的相對位移來防止運輸過程中書本位置的錯動，從而防止包裝箱遭到損壞。

滿足幻數的質子數有，2、8、20、28、50、82……；滿足幻數的中子數有2、8、20、28、50、82、126……。例如，含有82個質子和126個中子的鉛-208就是非常穩定的雙幻核，因此鉛在太陽系中的含量相對其它近鄰元素存在峰位就不足為奇了。至於幻數為什麼取以上數值，我們就不展開討論了，有興趣的讀者可以自行參考相關資料。

行舟穩定島——是否存在鉛之後的穩定重元素？

目前已知（已經得到驗證）的質子幻數最大為82，很多讀者或者已經想問，在此之後是否還存在更重的質子幻數？其實，物理學界對這一問題的興趣已經維持了將近一個世紀。而且，如果真有更大的幻數存在，是否有可能形成鉛以後的穩定超重原子核呢？

60年代起，針對上述討論，物理學界提出了超重元素的「穩定島」假說。如果說穩定存在的元素好比是高聳的陸地，不能穩定存在的元素好比是無邊無際的海洋。那麼能夠穩定存在的超重元素就好像是海洋中露出水面的島嶼一般。為了尋找下一個滿足幻數條件的重原子核，無數的研究人員懷揣著自身的執念和國家的尊嚴不懈努力著。

穩定島示意圖，來源：見圖

根據原子核物理的預測，質子數114，中子數184將成為下一個能夠穩定存在的雙幻數組合。不少實驗事實已經給予了科學家們極大的鼓舞。例如，雖然目前其原子核內的中子數離幻數184仍然相去甚遠，但已經製造成功的114號元素確實要比附近的超重元素擁有更長的壽命。此外，增加超重核內的中子數目以令其更接近幻數184同樣能夠增加超重核的壽命。例如，112號元素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構為了尋找到這座傳說中的島嶼傾注著無數的資金與精力。即便穩定程度無法達到鉛-208的水平，但只要其壽命能不像其他同類元素一樣轉瞬即逝，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驗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

合成超重元素的意義絕非僅僅只是為了尋找穩定島。首先，合成超重元素的過程可以幫助我們進一步了解原子核內部的運行機制，這是物質世界的終極奧秘之一。只有在正確認識規律的基礎上，才能嘗試對其加以運用。人類科學史上類似的例子不勝枚舉，電磁波和光的性質、重力和引力的性質以及基本例子的性質等等，都是在為人所了解和掌握多年後，才有了相應的大規模應用。

其次，雖然現有的原子核物理學理論已經可以對超重原子核的性質進行預測和推演，但「能夠預測」和「實際觀測」顯然是兩個完全不同的層次。在科學史上，與人類預測相違背的科學事實不在少數，預想外的規律在很多時候都成為了引發新科技革命的導火索。即便預測與實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，尚未出現顛覆式的科學發現，不過相對論力學、粒子物理和量子論等等現有科學理論卻在此過程中得到了反覆的確證和加強。

最後，不斷挑戰新的超重核製備不僅能對人類現有技術水平起到提升和促進的作用，這一過程本身也是對真理的追問和探求，是對人類最本源好奇心的不斷滿足。在超重元素領域，元素周期律還能否繼續發揮作用？原子核能夠成立的極限到底在哪裡？新的元素是否能夠一直被製造出來，元素序號的極限在哪裡？穩定島真的存在嗎？……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像的困難。

參考文獻:

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」に見る自然科學の意義と意味

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

Challenge to synthesis of superheavy elements

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

超重元素合成研究の現狀と展望

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

重元素の基礎知識