研究人员正试图制造出奇特的新的超重元素，其中一些有相当长的寿命，但是正在证明这一任务要比他们想象的困难得多。

过去的20或30年中，美国、德国和苏联的一些研究小组一直在试图制造最重的人造元素，制造的元素越重，就越不稳定，越具有放射性，然而某些理论家认为，也许有可能制造出更重的又是最稳定的元素。

元素是由原子组成的，其中每一个原子核内都有一定数量的（其数量是由原子序数确定的）带正电荷的质子，以及一定数量的中子，中子会对质子之间正电荷的排斥力起到“稀释作用”，而使原子核更稳定。绝大多数元素都有一定数目的因中子数不同而形成的同位素。质子和中子的总量是由原子质量数确定的（例如碳-12有6个质子和6个中子）。最轻的元素氢，原子核中只含有一个质子，而称为氘的另一个同位素的核，则含有1个质子和1个中子，而第3个同位素氚的原子核，则含有2个中子和1个质子。这些同位素是不稳定的，或称之有放射性，衰变时释放出β粒子，或负电子。氦同位素含有由2个质子和2个中子或1个中子组成的核。由周期表所看到的元素逐渐变重的性质，可以一直延续到和超过原子序数为92的元素－铀。

实际上，铀是周期表中天然存在的最后一个和最重的元素。它的天然存在的同位素，铀-234、235和238，全部是放射性的，这表明它们的核要比周期表前面的元素更不稳定。许多元素均有一些不稳定的同位素，它们通过发射一些粒子、像β粒子或α粒子（有2个质子和2个中子的氦核），而转化成另一种元素。这种转化性质在合成和检定新元素中很重要，它们能在几秒或几十年内发生。事实上，一个元素的半衰期，或原子蜕变成一半的时间，决定了它的稳定性。

过去50年内，科研人员一直在通过人工制造原子序数高于铀的元素，来系统地扩大周期表，该工作起始于镎（原子序数93）和钚（原子序数94），现在已有了原子序数从95到109的15个元素。其中没有一个是稳定的，随着原子序数的增加，要制造它们也变得更加困难。实际上，科研人员仅仅制造了3个原子序数为109的元素，它们短暂地存活了3~4毫秒。

的确，直到1976年，无论是理论的还是实验的数据似乎显示，周期表将到第108号元素时结束，在这以后核将立即衰变，数据还显示，寿命最长的同位素的半衰期也会变得如此短（小于10亿分之1秒），以致妨碍观察和研究它们。然后在1966和1972年之间，根据苏联物理学家Strutinsky，V. 提出的新发展的核结构理论的一些计算预测，原子序数114附近的重元素能够相当稳定。有人甚至认为，这些“超重”核的半衰期能够高到像宇宙年龄那样的数量级，为此人们寻找自然界中的超重元素，并且相信，它们和其他重元素一样，已经生成，就像发生在超新星中的自然生成的核合成过程。目前更新的计算预计，超重元素能够存在，但是它们和地球的年龄相比，半衰期会是相当短的。

这些预测主要是根据对核结构的进一步了解。随着原子序数的增加，质子之间的排斥力会增加，所以按比例来讲，需要更多的中子来克服排斥力。按照核结构的最简单介绍，质子和中子在壳层中以同心圆形式排列，其方法类似于电子在原子中的填充方式，壳层被完全填满的核特别稳定，就像电子壳层完全被填满的惰性气体一样。核的稳定性还同它的形状有关，一般是球形核最稳定。

三维图（图一左）也清楚显示了随着质子和中子数的增加，原子核的稳定性是怎么变化的？三维图的对角线上有一个稳定的“多山半岛”，在图的下半部，稳定核有大致相同数目的质子和中子，越向前则中子越多。山峰处是所谓魔数——即生成最稳定封闭壳层的质子和中子数。半岛周围是一个不稳定的海，在最远处，原子序数为114处，有一个稳定岛，在那里有114个质子和184个中子的原子核估计是一个特别稳定的球形体，因为质子和中子壳层完全被填满。这些元素会比许多原子序数低的元素更稳定。

过去的30年中，我们在美国加利福尼亚的劳伦斯 · 伯克利实验室，德国Darmstadt重离子研究实验室的欧洲研究小组，以及苏联莫斯科附近Dubna核反应实验室，一直试图跳跃到这个岛上，希望制造一系列新元素。

怎样合成这些新元素呢？“超铀元素”第93.95.99和100号元素是通过中子来轰击靶子元素，接着中子被吸收来制造的（见表一）。这就是Mc Millan，E. 和Abelson. P. 用U-238制造了Np-239，及本文作者之一（Seaborg，G. ）和其同事用Pu-239制造了镅。因为中子是电中性的，所以它容易进入到原子核中，像铀和钚原子，中子被吸收后，通过强核力作用，和其他的质子和中子相结合，这个过程不会产生出新元素，因为被俘获的中子不影响核中的质子数，只能制造出不同于靶子元素的新同位素。

这个增加的中子也许会使核不稳定，因为只有当质子对中子的比值接近一个最佳数值时，它们结合在一起的力才会最强，增加的中子会转化成质子，这样就产生出原子序数多于1个单位的新元素。为了保存电荷，核子必须制造并释放出一个负β粒子或电子，正如我们上面已说过，β衰变就是放射性的一种模式。

另一种制造新元素的方法是用其他元素的核来轰击靶元素。这个炮弹也许是质子（氢元素核）、氘子（氘核）或氦、碳、氮、氧和其他元素的核。由于靶子元素和轰击炮弹的核中存在的质子均有正电荷，所以当它们互相接触时有强的电荷排斥力，但是如果它们在起反应，核子之间互相必须真正的接触，因为核的半径很小，正电荷必须非常紧密地结合在一起，这意味着轰击粒子必须有足够高的动能，我们采用在高电压下作机械圆周运动，像在迴旋加速器或直线加速器中那种方式来加速轰击核，以获得所需要的动能。

当轰击核渗透到靶子核中，短程核力把两个核子结合在一起而生成了一个新元素的复合核，这个复合核以“激发态”形式生成（比核子的最低能态有更高的能级），在核能够稳定前，过剩的能量必须释放出来。

在重元素中，例如超铀元素，这种激活的能量一般以发射γ射线和从激活的核中“蒸发出”中子而消失。新元素的核是放射性的，它力求通过改变其内部结构变得更稳定，正如我们已介绍过的，这过程也许包括释放出β粒子或α粒子，或自发裂变，即分裂成两个更小的核。第93到106号元素（除95，99和100号元素）是在劳伦斯的伯克利实验室用迴旋加速器或直线加速器合成的，而第107号元素到109号元素是在Darmstadt制造的。对于第101到109号元素，当时各自只制得一个原子，最后四个元素至今没有命名。Dubna的研究人员宣称是他们第一次制得第106到108号元素，发现者有提议给新元素命名的特权，苏联科学家同样也竞争第104号和第105号元素的发现权。

同样，对我们已经用来试图制得的超重核，需作进一步探讨。首先，需要我们能够尽可能正确地预测出超重核的性质，以决定也许是最容易制造和鉴定的方法，但是这极端困难，它涉及到推断我们已知的最重元素的结构，一直到周期表中原子序数高于110的元素中我们还不知道的某些知识。在这个推断过程中，即便最小的误差也会导致极大的放大，正因为如此，我们的估算多年来已完全变样了。

早先在1972年，Nix，R. 和在洛斯阿拉莫斯国家实验室的合作者认为，稳定的超重岛峰位于含有184个中子的114元素，略微偏向于中子稍微少一些的同位素一边。1976年丹麦物理学家Randrup，J. 和其同事则认为，事实上斜率更偏，已进入了不稳定海，这些预测使我们认为，由于核反应均是可行的，要制备出含有184个中子这样多的复合核将会越来越困难。

最近，1989年波兰物理学家Patyk. Z和他的一个小组，在华沙Soltan核研究所建立了一些有用的理论预测。他们认为，含有182~184个中子的核最稳定，半衰期可测量的核的延伸地带可扩展到有160个中子的核和原子序数为100的元素。原子序数为112和有184个中子的核会是球形的，所以应该相当稳定，而中子数少于166的核将变形而不稳定。这些最新计算还认为，不存在从超重核的已知核中分离出来的不稳定海，相反有一个原子序数从98延伸到118的相对稳定的核半岛。

超重元素的合成也反映出是一个极其艰巨的挑战，因为核聚合的机率，接着又生成新核的机会是如此地小，它比十亿个反应中只发生一个还要小，剩下的是一些在裂变中核已被破坏的反应，这相当于粒子轰击到靶子上后，每天产生不多于三个原子。安布拉斯特（P. Armbruster）一位本领域的先驱者，最近在Darmstadt发明了一种估算两个核聚合后比较粗糙的方法，能给出靶子核和轰击核的原子序数。一旦聚合发生，新核的幸存率取决于复合核能否通过中子首先失去激活能，当中子以我们前面介绍过的方法“蒸发”出来时，以每个中子大约10兆电子伏特的速率释放出激活能，如果激活能足够低，则大部分通过中子而丢失，则新核有更多的存活机会，简言之，核子正好经过了裂变，从测得的或预测的原子质量的表，我们能够推导出复合核的激活能。聚合体系的存活核能够用比较粗糙的方法来估算，即对每一个因发射中子而存活的核，相应会有100个核因裂变而“死亡”。

现取第108号元素的合成为例，所用反应包括作炮弹的核－铁核（原子序数26），作为靶子核的铅核-208（原子序数82），这样合成的第108号元素复合核的激活能大约是20到23兆电子伏特。用安布拉斯特方法，我们估计，在100万个反应中，有一个反应会导致核合成，而存活的几率又是万分之一，这样全部反应所给出的生成新核的几率是100亿分之一，这就是108号元素的最佳测量产额。如果不是有下述情况，在铅靶核的核壳层由于结合得牢固而使复合核有低的激活能，这个元素是不可能被制造出来的。

已经有25篇以上的报告，报道了企图在实验室中合成超重元素的工作，研究得最多的反应是钙-48（原子序数20）和锔-248（原子序数96）之间的反应。这个反应生成的超重核会有最多的中子，所以应该是最稳定。我们估计，所生成的第116号元素复合核的激活能大约是30兆电子伏特。这样给出的存活几率是一百万分之一。如果靶核和轰击核核合成的预测几率是百万分之三，这样存活核的估计生成几率是万亿分之三，但是元素能被检出的实验技术限制在十亿分之10到十亿分之100之间，所以制造这个元素的企图至今一直没有成功，一点不令人惊奇！

还有另一种制造超重元素的方法，在那一种方法中，所制造的复合核包括轰击核的质子和中子，全部换了，靶子核仅仅是轰击核的一部分转化成靶核。事实上在充分研究了铀-238核之间的反应时就发现，其中有20个或更多的质子已经从轰击核转移到靶子核中，仅仅产生了中等的激活能，因而有些科研人员认为，超重核能够制造，但是据估计，以这种方法生成的超重核几率在一万亿分之一到万亿分之十之间，再一次低于实验能够检出到的水平。

要检定新元素也极端困难、你必须证明新元素的原子序数完全不同于所有已知元素的原子序数。第95到101号元素是用化学方法证明的。先制备出这些元素的盐，然后用离子交换法分离出该离子，根据分离设备中过滤出来的离子次序来给出原子序数。也能够用色层法以同样的方式分离出不同重量和反应活性的分子，但是这种方法不适用于半衰期只有几秒的元素，所以一直没有用于原子序数超过101的新元素。本文我们依赖于一种更敏感的方法，是用倒数工作法检定放射性衰变产物。

该方法原理是，幸存的重核通过失去α粒子（氦核）或通过自发裂变而衰变，通过释放α粒子衰变后的元素生成所谓的子体的原子序数要低二个单位，质量数低四个单位（α粒子的质量）。而子体又会通过发射α粒子而衰变，但它们的半衰期是已知的，所以子体元素能够被检定，这样一个自动过程可以告诉我们新元素的原子序数。第104号到109号元素就是用这种“遗传”方法检定的。我们预测了第110号元素，经过α衰变后应该有的半衰期衰变率。但是，超重元素，像第114号元素附近的元素，也许会通过自发裂变而衰变。在这种情况下，要测定它们就很困难，所以至今我们还没有测到新元素，因为到目前为止，我们还没有一种有效的设备，能够同时测量裂变碎片的原子序数。

苏联物理学家V. Ginzburg最近说过，合成超重元素是物理学中20个或所谓“特别重要和感兴趣的”问题之一。的确，测定超重核的核性质和合成它们的核反应代表了核物理中最艰难的问题之一。不过，我们坚信超重核应该存在，它们的半衰期应该长到足够能在实验室中检定，但太短以致在自然界中不存在。目前我们需要做的事情是提高我们检定器的灵敏度。我们应集中力量放在更有效地检定出自发裂变的碎片，和更精确地测量它们的原子序数的工作上。

[New Scientist，1991年8月31日]