超重元素

super heavy elements 原子量大於已發現元素的假設新元素。一經發現,則將這些元素排在現週期表元素之後。

根據核理論預言可能存在的原子序數大於 110的化學元素。相對應的原子核稱為超重核。自從1940年人工合成93號元素鎿和94號元素鈈以來，元素週期表就開始“延長”。隨着超鈈元素的陸續合成，元素週期表究竟能延長到哪裏的問題很自然地就提到了人們的面前，為了回答這個問題，在1966年前後，核理論工作者根據原子核的殼層模型理論（見核模型）提出了關於超重元素存在的預言。

20世紀20年代末發展起來的原子核殼層模型理論解釋了週期表中具有2、8、20、28、50、82和 126等幻數的核的丰度較大和特別穩定等實驗結果。1948年以來,美國物理學家M.G.邁爾等強調了質子數Z或中子數N為幻數的原子核的特別穩定性。1959年丹麥物理學家S.G.尼爾松等將尼爾松單粒子能級圖外推到Z=126，顯示出 Z=114的殼層效應。1960年前後瑞典物理學家S.A.E.約翰松在普遍液滴模型基礎上，利用尼爾松軌道作了殼修正；他的計算證明，在N=184附近可能存在壽命足夠長的核。1965～1966年邁爾等推廣了液滴模型公式，並在核近似為球形時加以殼修正，從半經驗質量公式出發,預言超重核穩定島的存在。裂變勢壘高達幾兆電子伏。蘇聯物理學家B.M.斯特魯賓斯基發展了殼修正法，提出Z=114為質子幻數。1969年尼爾松等全面系統地進行了計算和討論,得出了Z=114、N=184的核298114為雙幻數核，圍繞它可能存在一個由成百個超重核組成的穩定島，其中壽命最長的可達108年。1972年核物理學家 E.O.菲塞特等預測最穩定的超重核自發裂變半衰期可達 1015年。1976年丹麥核物理學家J.朗德魯普等又進一步修正計算模型,預測最穩定的超重核自發裂變或α衰變半衰期約為1年。可見根據不同模型計算出來的超重核半衰期能相差幾十個數量級。1977年美國核物理學家J.R.尼克斯等估計, 由於計算採用單粒子能級圖以及計算模型等因素,使超重核自發裂變半衰期預測值的不確定因子達10±7～10±10。1986年聯邦德國核化學家P.默勒等引進他們提出的殼修正，應用一個半經驗關係式計算超重核的自發裂變或α衰變的半衰期僅為1～2秒,這一結果使得尋找超重元素的研究面臨着十分困難的局面。

自從60年代中超重元素理論預言提出後，實驗工作者通過以下三種途徑尋找它們：

①新建和改建一些重離子加速器,根據各種設想的重離子反應機理,使用更重的入射離子轟擊重元素靶，進行人工合成超重元素。設計並已使用過的核反應有：

但實驗結果都是否定的。

②用高空氣球、宇宙飛船等運載工具，帶着核乳膠和其他探測器尋找宇宙射線中可能存在的超重核。曾使用核乳膠疊和核乳膠、聚碳酸酯與醋酸纖維組成的混合疊等探測裝置，升至約40公里高空進行探測，但未獲得肯定結果。

③在地球和隕石物質以及月球樣品中,用X射線熒光光譜分析法、質譜法以及各種核探測方法等尋找可能存在的長壽命的超重元素。已尋找的物質包括不同來源的隕石、月岩、月塵、金、銅、鉑、鉛、汞、鉬、鋅、鎳等幾百種礦物，金屬冶煉廠的煙道灰、陽極泥，海底錳結核，以及數以千克計的純鉑、汞、鉛、鎢等樣品。但結果都是否定的。

為了克服重離子與靶核間的庫侖勢壘，發生全融合反應，就必須提高重離子的能量；提高能量的後果常使剩餘核處於高激發態，很容易發生裂變，因而影響形成超重核。由於重離子反應截面低，需要提高重離子束流強度,至少應再提高三、四個數量級,一般加速器尚無法滿足這一要求。為了實現超重核的人工合成，核化學家提出了用冷融合反應合成超重核的設想。1985年默勒提出下述反應合成271110： 64Ni+208Pb─→271110+n

美國核化學家A.吉奧索提出另一冷融合反應：

59Co+209Bi─→266110+2n

此外，還有用較小原子序數的重離子轟擊重超鈾靶的設想，如：

23Na+254Es─→273110+4n

26Mg+249Cf─→271110+4n

上述設想能否實現，有待實驗的檢驗。

理論預測超重核的半衰期的誤差非常大，而超重核的半衰期可能遠小於108年。這樣一來,在地球形成時可能存在的超重核都已衰變完了，所以在礦物、岩石等樣品中沒有找到。若其半衰期小於105年,則宇宙射線中可能存在的超重核也將於它們到達地球之前衰變完了，因此在宇宙線中也無法找到它們。若超重核的半衰期果真為108年左右,那麼迄今沒有找到它們可能的原因是：①宇宙中自然合成超重核的幾率非常小，從現有的數據來看，自然界重元素的合成，主要是通過快中子吸收過程，但這一過程可能達不到超重區；而重離子反應合成的截面可能也極小,所以在自然界合成超重核的數量極少,不易發現。②尋找方向上還帶有某些盲目性，在一些工作中，樣品的選擇多半隻着重考慮化學性質的同族相似性（如鉛中找類鉛、鉑中找類鉑等），而較少注意對現有的同位素地球化學規律的應用。③超重核分散在非常大量的基體當中，由於濃集方法有問題，使超重核濃集不起來或丟失。④樣品中的超重核含量極微，由於探測器靈敏度還不夠高，分辨不出來。

2023年，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室研究人員首次揭示了宇宙中的核裂變現象，他們發現了裂變的潛在特徵，這表明自然界可能會產生超出元素週期表中最重元素的超重原子核。 ^[1] 

十幾年來尋找超重元素的種種實驗,雖未獲成功,但從殼層模型理論對已有實驗事實的成功解釋來看，在鉛208雙幻數核以後,還是有可能存在下一個雙幻數核的。也就是説，可能存在一個超重核穩定島。即使島上超重核的壽命達不到預測值那樣長──穩定島不像理論預測的那樣高或大。但島上原子核的壽命肯定比其周圍的原子核要長，足以用核探測器測定。持樂觀態度的核化學家認為，穩定島的存在是無疑的，重離子合成反應可能是合成超重核的比較現實的途徑。