互动科普

114号元素的合成，证实了数十年之久的理论性预见：一个稳定的原子核的孤岛存在于一片短寿命超重核的海洋中。 

l940年春天元素镎的发现使化学家们神魂颠倒地开始了对未知海域的旅行。在这个超铀世界里，原子核中的质子已超过铀的92个质子的数量，它们都具有不寻常的独特的性质。这些重元素中大量的电子使化学家洞悉原子中电子的排列以及是如何化学结合的。这些元素用于从核武器到烟雾探测器等广大的范围里。 

迄今为止，已研究制备了23种新元素，它们的原子核中的质子数都超过了铀元素。在这23种元素中，只有“最轻”的两种——镎和钚存在于自然之中。 

近来ll4号元素的合成，标志着一段困难的探寻超铀元素的航行的结束。此航行就像是一次危险的海洋穿行，而这个海是由原子核中质子超过106个的元素所组成的。通过用较轻的原子核的离子流轰击较重的原子核，科学家创造了超重核，这些超重核极不稳定，它们会裂变，常常在产生后远短于一秒的时间内就分裂了，然而，当他们接近“神奇”的ll4号元素时，研究者发现他们来到了一个稳定岛，一个集合着一些较重的合成元素的区域，这些元素表现出超常的稳定性和长寿命。 

就像寓言中的埃尔多拉多(EIDorado)城那样，人们很久以来就相信有这个稳定岛的存在，但认为要达到那儿是不可能的；早在l966年，核物理学家对此有专门的记述。然而与埃尔多拉多的寓言不同，这一稳定岛的所在并非秘密：它的中心，一个最稳定点是由ll4号元素的一种同位素(有l84个中子)所占据着。相邻的是一些较不稳定的元素，从109到ll5号。物理学家知道他们需要努力，问题的关键是如何到达那里并且知道什么时候已经到达了。 

合成元素的初次尝试于l934年开始，科学家用中子流轰击重元素的核以期合成元素。被靶原子核捕获的每一个中了产生p衰变，即变成一个质子和一个电子，这样产生了一个新元素，新元素中原子核的质子数较靶原来的多一个。用化学术语来说，就是新元素的原子序数比靶元素的原子序数大l。元素的原子序数仅仅只是反映了该元素原子核中质子的情况。除质子外，原子核中还包含有不带电的中子。一种元素的所有原子必定具有同一数量的质子。各种同位素则表示原子中中子的数量是不一样的，而各同位素之间稳定性是有差异的。 

到五十年代中期，研究者采用上述方法得到了93，94，99和100号元素。在这段时间中，他们还利用α粒子(即氦核)流照射重原子核，使之产生了95，96，97，98和101号元素，此时他们一次就把原子序数向前推进两步。 

由于粒子加速器的发展，使科学家有可能直接利用轻元素，例如硼(原子序数为5)的高强度离子流轰击94到98号之问的元素，使之产生核聚变。为了使核聚变发生，两种不同的原子核必须具备足够的能量以克服相互之间带正电质子的强大静电排斥力。由于进行核聚变时需要巨大的能量，导致新产生的原子核变得非常热。而这些热能又增加这样的可能性，即新的元素将裂变，而不是“驰豫”到更稳定的状态并保持自身的完整无损。应用这一技术，在1958到1974年问合成出了102到106号元素。超过106号元素后，核裂变的倾向使得用这种方法合成新的元素已变得不可能。 

然而，在l974年，本文作者之一Oganessian在俄国杜布纳(Dubna)联合原子核研究所(JINR)发现：用一束较重的离子流去轰击较轻的靶核时能产生激发能较低的核，使之经过聚变并保持自身完整。这就是所谓的“冷聚变”。不过应注意，不要与曾在八十年代广泛流行但受到质疑的同一名称的过程相混淆。l975年德国达姆斯塔特重离子研究所的UNILAC(通用直线加速器)投入运行后，开始用这一方法进行研究。该加速器可将很重的离子加速，使之具有巨大的能量。 

不幸的是，在一次实验中所期望产生的新元素是如此之少，并且由于新元素自身的衰变的产物又衰变得极快，所以必须在合成仍在进行时去检测它们，而目前具有的方法是不能检测到由这一新技术产生的元素的。这样几年以来没有新元素被认定。 

八十年代初，一个研究小组在达姆斯塔特发展了一种高级的和灵敏的方法使之能确认新的聚变核，并得以合成107，108和109号元素。合成和检测新元素的障碍是巨大的研究者甚至用直线加速器(UNILAC)工作两周只产生一个l09号元素的原子。然而，采取进一步调整离子流强度和提高探测装置灵敏度的方法，同样的粒子束在1994年制得了lll号元素，在1996年制得了ll2号元素。ll2号元素有一个240微秒的半衰期，而且在25天里仅产生了两个原子。 

自1994年以来，在德国、美国和俄国的研究组已在元素周期表上增添了6个新元素，使原子序数已高达ll8。最重要的合成还是ll4号元素同位素的制备，因此确切地证实了稳定岛的存在。到达这个岛是十分有意义的，因为它证实了理论上的预见：当质子和中子的数目为某些“幻数”时，便会得到特别紧密地结合在一起的原子核，其稳定封闭的壳层相似于惰性气体的结构——电子充满原子的轨道层，从而使这些气体获得惰性的化学性质，同时也确定了化学元素的周期性和反应能力。 

早在1948年，人们就已经知道在元素周期表中存在着若干原子核壳层模型的幻数，其中之一便是由铅产生的——它由82个质子和l26个中子所组成。预示下一个由ll4个质子和l84个中子形成的幻数是在l966年，这在当时是与流行理论相矛盾的。当时认为：合成元素衰变的半衰期随它的抵抗裂变的稳定性而变，当它们的原子核变得越重，半衰期将极为迅速地缩短。幻数的预测引起了人们的推测，有一个由不同寻常的长寿命原子核形成的岛屿，幸运地存在于未知的不稳定海洋中。

人们推测到达这个岛是十分困难的，因为组成原子核中的中子数与质子数之比超过了任何已知的稳定原子核。我们选取了一个反应，将尽可能大量的中子导入到合成的原子核中，具体就是：采用钙-48(calcium48)——一种稀有而昂贵的丰中子钙同位素——的强烈的离子流照射钚-244(plutonium244)一种异乎寻常的最重的钚同位素。我们期望采用这种融合能产生具有ll4个质子和178个中子的合成物。这样一个同位素将是最可能接近具有ll4个质子和l84个中子的双幻结构。 

我们知道，如果采用充分的能量使钙-48和钚-244克服相互静电斥力而碰撞，那么产生新的合成原子核的激发能量是较低的，至少部分新原子核不会裂变，这是由于三个中子的蒸发，在产生具有175个中子的ll4号元素的同位素时，将使这个新产生的原子核冷却至裂变阀值以下。 

我们如何做 

以前使用类似的反应来寻找超重元素是不成功的，因为在长达几个星期的时期里甚至仅产生一个所需的原子核，而这个原子核又淹没在几万亿个其它原子核的背景中。将检测方法的灵敏度在以前的基础上提高几百倍，我们确实能检测到一些新合成的元素在衰变前的存在。 

我们用在JINR的重离子回旋加速器做实验。将钙-48离子加速到接近光速的十分之一然后轰向靶子，靶子是由几个毫克的钚244电镀到钛箔上制成的. 

为了检测新合成的原子核是否是我们期望得到的，我们需要一种方法将我们感兴趣的产物与其他随实验产生的物质分离出来。所预期的是我们的超重原子核具有系列衰变的特征，即元素ll4衰变到ll2，l12又衰变到ll0，ll0又衰变到108，直到远离稳定岛井产生自发裂变。不幸的是，实验中非预期产生的原子核的衰变及裂变速率所造成的随机裂变事件可能模拟114号元素的衰变序列。非预期的原子核产生的速率每秒高达数十亿，而产生元素ll4同位素的速率远远低于每天一个的水平。通常，抑制那些非预期背景反应是相当重要，以使ll4号元素在一产生时就能被辨认到。 

为了达到该目的，在杜布纳的科学家装置了一个充气分离器，该装置能十分高效地传输我们正寻找的产物，并且能十分有效地检测到显示它们存在的特征放射性衰变序列过程；另外该装置还能有效地消除非预期产物。重离子裂变产物(一种合成的ll4号元素的原子核及其他裂变产物的混合物)从靶反弹进入一个充满低压氢气的腔室，腔室位于双极磁铁两极的端面之间。反弹的重离子与氢气原子相互作用，那些其电子被束缚在它们的原子核上的能量低于碰撞所提供的能量的离子容易失去。磁场是可调的，以使所感兴趣的原子核能到达检测器阵列。未反应的钙-48离子流高速通过氢气高度离子化，磁场将使其发生偏转，脱离我们要寻找的原子的路径。充气分离器也强有力地消除其他原子核反应产生的非预期产物。 

离开双极磁铁的反应物被一个四极磁装置聚焦，然后穿过一个飞行时间(time—of—flight TOF)指示器并进入位置灵敏(Postion-sensitive)探测器内。来自飞行时间指示器的信号使我们能够区别在经过了分离器后，哪些是产物的效果，哪些是已经被吸附在检测器里的产物的放射性衰变。通过飞行时间指示器的飞行时间可用以区分原子序数的高或低。实际上，位置灵敏探测器降低了背景干扰的强度，使我们能确认和排除非预期的反应。所有的这些仪器，使我们具有了检测和测量我们寻找ll4号元素原子核的能力。

我们于1998年的十一和十二月做第一次实验，历时40天。在这段时间里，我们观察到总共有三个自发裂变衰变信号，这表明有三个合成的复合原子核产生，而且在裂变之前穿过了分离器。其中的两个各自持续了大约1微秒，它们是非预期的镅-244(americium244)的衰变引起的反应。仅有一个原子(40天照射得到1个原子)表明一个原子核进入探测器后接着发生了三次α衰变(连续失去两个质子和两个中子，每一次衰变产生一个较低原子序数的元素)，所有三次衰变都在检测器阵列的同一位置。 

实际上这正是我们所期待的衰变信号：即衰变能量和衰变时间的关系是与ll4号元素的同位素和次生元素衰变的理论推导相一致的。最初的反冲原子核的飞行时间和进入检测器的注入能量也与预期的吻合，而且检测器中的偶然发生率表明，背景事件的随相关引起事件的概率低于百分之一。 

衰变链 

具有175个中子的ll4号元素的同位素有一个3O.4秒的半衰期。它衰变到1l2号元素；ll2号元素有一个15.4分钟的半衰期，然后衰变成11O元素；110元素有1.6分钟的半衰期，然后衰变成108号元素。108号元素同位素(具有169个中子)已离开稳定岛的边缘，它将自发裂变。在接下来的实验里，杜布纳的研究者制得了一个较轻的ll4号元素的同位素，它有173个中子，这更靠近稳定岛的边缘。这个较轻的同位素有大约5秒的半衰期，然后经过α衰变成为它的次生原子ll2号元素；次生原子3分钟后自发裂变。

我们证实了稳定岛的存在并且对其具有的重要特性进行了测量。具有175个中子的114号元素的同位素的寿命期比具有174个中子的同位素寿命期长1000倍，这个同位素是118号元素衰变链中产生的。它是近来在劳伦斯伯克利国家实验室发现的。具有173个中子的112号元素的同位素比具有165个中子的同位素寿命期长1百万倍，这是1996年在达姆施塔特被发现的。这些长半衰期的聚变合成产物使我们更容易研究它们，并且这些研究可能改变我们发现物质基本性质的方法。 

近来我们也制得具有174个中子的ll4号元素的同位素(迄今为止我们总共已得到两个这样的原子。)十分诱人地，这些同位素衰变的特征表明，超重元素可能具有比理论预见的更稳定的特性。在我们的实验和其他工作的基础上，发现原子核稳定的界线。扩展我们的视野并得到意想不到的发现的前景是十分光明的。经过共同的努力，我们甚至可能对ll4号元素解决超重元素合成中的一个老大难问题，那就是找到一个对新元素来说，所有有关各方都能同意的名称!