超重元素

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超重元素是指原子序数超过103()的重元素。这些元素均为人工合成元素,具有極高的放射性半衰期很短,非常不稳定。其中原子序位於104()与120(Ubn)之间者稱為錒系後元素;原子序位於121(Ubu)与153(Upt)之间者則稱為超錒系元素。目前所发现原子序数最大的超重元素是118号的鿫。由于超重元素的原子序数都大于92(),因此所有的超重元素也都屬於超铀元素

雖然超重元素的半衰期大多極短,且有随着原子序数的增加而缩短的趋势,然而也有例外:例如𨧀的一些同位素的半衰期就比預料中的還要長。格伦·西奥多·西博格预言了在這一系列元素中有更多的反常元素,并且把它们归类于“稳定岛”,即质子數或中子數为幻数原子核具有特别的稳定性。

由於超重元素的生產難度極高,每次的產量也極少(至多數十顆原子),且半衰期都極短,非常不穩定,生成後會快速衰變,因此在科學研究之外沒有任何實際用途。

超重元素中未发现的元素及已发现但尚未命名的元素,皆使用IUPAC元素系统命名法。超重元素的命名曾引起很大的争论,104到109号元素命名的争论从二十世纪六十年代开始,一直到1997年才解决。

概论[编辑]

超重元素的产生[编辑]

A graphic depiction of a nuclear fusion reaction
核聚变反应的图形描述。两个原子核融合成一个,并发射出一个中子。在这一刻,这个反应和用来创造新元素的反应是相似的,唯一可能的区别是它有时会释放几个中子,或者根本不释放中子。

一个超重元素[a]原子核是在两个不同大小的原子核[b]的聚变中产生的。粗略地说,两个原子核的质量越不相等,两者发生反应的可能性就越大。[6]由较重原子核组成的物质会做成靶子,它会被较轻原子核的粒子束轰击。两个原子核只能在距离足够近的时候,才能核聚变成一个原子核。通常,原子核(全部都有正电荷)会因为静电排斥而相互排斥。只有两个原子核的距离足够短时,强核力才能克服这个排斥力。束核因此被粒子加速器大大加速,以使这种排斥力与粒子束的速度相比变得微不足道。[7] 施加到粒子束上以加速它们的能量可以使它们达到高达光速十分之一的速度。但是,如果施加太多能量,粒子束可能会分崩离析。[7]

只是靠的足够近不足以使两个原子核聚变。当两个原子核逼近彼此时,它们通常会在一起约 10−20秒,然后裂变(产物不需要和反应物相同),而不是形成一个单独的原子核。[7][8]发生这种情况是因为在尝试形成单个原子核的过程中,静电排斥会裂变正在形成的原子核。[7]每一对目标和粒子束的特征在于它的截面——如果两个原子核彼此接近,发生聚变的概率。[c] 这种聚变可能是量子效应的结果,其中原子核可以通过静电排斥进行隧穿。如果两个原子核可以在该阶段之后保持靠近,则多个核相互作用会导致能量的重新分配和平衡。[7]

外部视频链接
video icon 基于澳大利亚国立大学的计算,核聚变未成功的可视化[10]

两个原子核产生的一个原子核处于激发态[11],它被称为复合原子核英语compound nucleus,非常不稳定。[7]为了达到更稳定的状态,这个暂时存在的原子核可能会直接核裂变[12]或是放出一些带走激发能量的中子。如果中子不足以带走这些激发能量,复合原子核就会放出γ射线。这个过程会在原子核碰撞后的 10−16秒发生,并创造出更稳定的原子核。[12]联合工作团队英语IUPAC/IUPAP Joint Working Party (JWP) 定义,一个化学元素的原子核只有10−14秒内不进行放射性衰变,才能被识别出来。这个值大约是一个原子核得到它的外层电子,显示其化学性质所需的时间。[13][d]

衰变和探测[编辑]

粒子束穿过目标后,会到达下一个腔室——分离室。如果反应产生了一个新的原子核,它就会被这个粒子束携带。[15]在分离室中,新产生的原子核会从其它核素(原本的粒子束和其它反应产物)中分离,[e]并转移到半导体探测器英语Semiconductor detector中,在这里停止原子核。这时标记撞击探测器的确切位置、能量和到达时间。[15]这个转移需要 10−6秒的时间。也就是说,这个原子核需要存活这么长的时间才能被检测到。[18]衰变被记录后,这个原子核被再次记录,并测量位置、衰变能量和衰变时间。[15]

原子核的稳定性源自于强核力。然而,强核力的作用距离很短,随着原子核越来越大,强核力对最外层的核子质子和中子)的影响减弱。同时,原子核会被质子之间,范围不受限制的静电排斥力撕裂。[19]强核力提供的核结合能以线性增长,而静电排斥力则以原子序数的平方增长,即后者增长更快,并且对于重元素和超重元素变得越来越重要。[20][21]因此,超重元素[22]的主要衰变方式——α衰变自发裂变都是这种排斥引起的。[f] 几乎所有会α衰变的核素都有超过210个核子,[24]而主要通过自发裂变衰变的最轻核素有238个核子。[25]在这两种衰变中,它们的有限位势垒抑制了原子核衰变,但它们可以隧穿这个势垒,发生衰变。[20][21]

Apparatus for creation of superheavy elements
基于在杜布纳联合原子核研究所中设置的杜布纳充气反冲分离器,用于产生超重元素的装置方案。在检测器和光束聚焦装置内的轨迹会因为前者的磁偶极英语Magnetic dipole和后者的四极磁体英语Quadrupole magnet而改变。[26]

α粒子通常在放射性衰变中产生。α粒子中的每个核子的质量足够小,足以为α粒子留下一些能量,用作离开原子核的动能。[27]自发裂变则是由静电排斥力将原子核撕裂,会产生各种不同的产物。[21]随着原子序数增加,自发裂变迅速变得重要:自发裂变的部分半衰期从(元素92)到(元素102)下降了23个数量级,[28](元素90)到(元素100)下降了30个数量级。[29]早期的液滴模型因此表明,由于具有约280个核子的原子核的裂变势垒英语Fission barrier消失,自发裂变几乎会立即发生。[21][30] 之后的核壳层模型表明具有大约300个核子的原子核将形成一个稳定岛,其中的原子核对自发裂变的抵抗力更强,并且主要经历具有更长半衰期的α衰变。[21][30] 随后的发现表明,预测存在的稳定岛可能比原先预期的更远。他们还表明,长寿命锕系元素和稳定岛之间的原子核发生了变形,并从壳层效应中获得了额外的稳定性。[31] 对较轻的超重核素[32]以及那些更接近稳定岛的核素进行的实验表明,[28]它们已经显示出比先前预期更大的抗自发裂变稳定性,表明壳层效应对原子核的重要性。[g]

α衰变由发射出去的α粒子记录,在实际衰变之前很容易确定衰变产物。如果这样的衰变或一系列连续衰变产生了一个已知的原子核,则可以很容易地确定反应的原始产物。[h](衰变链中的所有衰变确实彼此相关,因为这些衰变的位置确定的,它们必须在同一个地方。)[15] 已知的原子核可以通过它经历的衰变的特定特征来识别,例如衰变能量(或更具体地说,发射粒子的动能)。[i]然而,自发裂变会产生各种分裂产物,因此无法从其分裂产物确定原始核素。[j]

因此,旨在合成超重元素的物理学家可以获得的信息是探测器收集到的信息:粒子到达探测器的位置、能量和时间,以及粒子衰变的信息。物理学家分析了这些数据并试图得出结论,它确实是由一种新元素引起的,不可能是由与声称的核素不同的核素引起的。通常,如果提供的数据不足以得出一个新元素确实是被创造出来的结论,并且对观察到的影响没有其他解释,就可能在解释数据时出现错误。[k]

已發現的超重元素列表[编辑]

元素名称 元素符号 原子序数 首次合成年代
Rf 104 1966(苏联),1969(美国)*
𨧀 Db 105 1968(苏联),1970(美国)*
𨭎 Sg 106 1974
𨨏 Bh 107 1981
𨭆 Hs 108 1984
Mt 109 1982
Ds 110 1994
Rg 111 1994
Cn 112 1996
Nh 113 2003
Fl 114 1999
Mc 115 2003
Lv 116 2000
缺字图片 Ts 117 2010
缺字图片 Og 118 2006
* 视为共同拥有发现权

参见[编辑]

注释[编辑]

  1. ^ 核物理学中,如果一个元素有高原子序,就可以被称为重元素。82号元素就是一个重元素的例子。“超重元素”这一词通常指原子序大于103的元素(尽管也有其它的定义,例如原子序大于100[1]或112。[2]有时,这一词和锕系后元素是同义词,将超重元素的上限定在还未发现的超锕系元素的开始。)[3](那个元素的)“超重同位素”和“超重核素”顾名思义——分别是(那个元素的)高质量同位素和有高质量的核素。
  2. ^ 2009年,一个由尤里·奥加涅相引领的团队在JINR发表了他们通过对称的 136Xe + 136Xe 反应,尝试合成钅黑的结果。他们未能在这个反应中观察到单个原子,因此对截面设置了上限,即核反应概率的度量为2.5 pb[4]作为比较,发现钅黑的反应 208Pb + 58Fe的截面约为20 pb(进一步来说,为 19+19
    -11
     pb),符合发现者的预测。[5]
  3. ^ 施加到粒子束以加速它的能量也会影响截面的值。举个例子,在 28
    14
    Si
    + 1
    0
    n
    28
    13
    Al
    + 1
    1
    p
    反应中,截面会从12.3 MeV的370 mb变化成18.3 MeV的160 mb,在13.5 MeV中有380 mb的最高值。[9]
  4. ^ 这个值也标志着普遍接受的复合原子核寿命上限。[14]
  5. ^ 这种分离是基于产生的原子核会比未反应的粒子束更慢地通过目标。分离器中包含电场和磁场,它们对运动粒子的影响会因粒子的特定速度而被抵消。[16]飞行时间质谱法英语Time-of-flight mass spectrometry和反冲能量的测量也有助于这种分离,两者结合可以估计原子核的质量。[17]
  6. ^ 不是所有放射性衰变都是因为静电排斥力导致的。举个例子,β衰变弱核力导致的。[23]
  7. ^ 到1960年代,人们已经知道原子核的基态在能量和形状上不同,并且核子中的某些幻数对应原子核的更高稳定性。然而,当时人们假设超重原子核中没有核子结构,因为它们太过于变形而无法形成结构。[28]
  8. ^ 由于原子核的质量不是直接测量的,而是根据另一个原子核的质量计算得出的,因此这种测量称为间接测量。直接测量也是有可能的,但在大多数情况下,它们仍然无法用于超重原子核。[33]2018年,LBNL首次直接测量了超重原子核的质量,[34]它的质量是根据转移后原子核的位置确定的(位置有助于确定其轨迹,这与原子核的质荷比有关,因为转移是在有磁铁的情况下完成的)。[35]
  9. ^ 如果在真空中发生衰变,那么由于孤立系统在衰变前后的总动量必须保持守恒,衰变产物也将获得很小的速度。这两个速度的比值以及相应的动能比值与两个质量的比值成反比。衰变能量等于α粒子和衰变产物的已知动能之和。[24]这些计算也适用于实验,但不同之处在于原子核在衰变后不会移动,因为它与探测器相连。
  10. ^ 自发裂变是由苏联科学家格奥尔基·弗廖罗夫发现的。[36]LBL的科学家们认为自发裂变的信息不足以声称合成元素。他们认为对自发裂变的研究还不够充分,无法将其用于识别新元素,因为很难确定复合原子核是不是仅喷射中子,而不是质子或α粒子等带电粒子。[14]因此,他们更喜欢通过连续的α衰变将新的同位素与已知的同位素联系起来。[36]
  11. ^ 举个例子,1957年,元素102在瑞典斯德哥尔摩省斯德哥尔摩的诺贝尔物理研究所被错误地鉴定。[37]早先没有关于该元素发现的明确声明,所以由它的瑞典、美国和英国发现者命名为nobelium。后来证明这个元素的鉴定是错误的。[38]第二年,RL无法重现瑞典的结果,而是宣布他们合成了该元素,这一说法后来也被驳回。[38] JINR坚持认为他们是第一个发现该元素的人,并为新元素建议命名为joliotium[39]而这个名称也没有被接受(JINR后来认为元素102的命名是仓促的)。[40]这个名称是在IUPAC对元素发现优先权的裁决的书面答复中提出的,该裁决于1992年9月29日签署。[40]但由于其广泛使用,“nobelium”这个名称仍然保持不变。[41]

参考资料[编辑]

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参考书目[编辑]