超重原子核與新元素合成

|作者：姜義銘1,2　張丹丹1　周善貴1,2,?

(1 中國科學院理論物理研究所）

(2 中國科學院大學物理科學學院)

本文選自《物理》2025年第9期

原文網址：

摘要合成新元素、探索原子核的質量和電荷極限是當前重要的科學前沿。由于量子殼效應的影響，理論預言在已知核素版圖“大陸”之外存在一個“超重穩定島”。迄今為止，人類在探索“超重穩定島”的過程中，已經取得了重要進展，合成了從104號()到118號()共15種超重元素，填滿了元素周期表的第七周期。目前，119號和120號元素的合成工作也在進行中。實驗上合成這些超重元素采用的都是重離子熔合蒸發反應，然而，基于這一反應機制合成新元素面臨許多困難和挑戰。探索超重原子核的性質及其合成機制，仍需要大量理論和實驗方面的工作。文章介紹超重原子核與新元素合成的研究背景，總結實驗和理論研究進展，分析面臨的挑戰，并對未來進行展望。

關鍵詞新元素，超重原子核，量子殼效應，重離子熔合，裂變

01

引 言

1869年，門捷列夫提出元素周期表，揭示了元素周期律。自此，發現和合成新元素、擴展元素周期表，成為物質科學的重要前沿領域。1911年，盧瑟福提出原子的核式結構模型，證實了原子核的存在。1913年，莫塞萊通過實驗發現，元素周期表的元素排布與原子核的核電荷數相關。1932年，查德威克發現中子，隨后海森伯提出原子核由質子和中子組成，至此揭示了原子核的基本成分。然而，原子核中最多可以容納多少個質子和中子，元素周期表是否存在盡頭，至今仍是未解之謎。

一般將原子序數為104及以上的元素稱為超重元素，目前實驗上合成的最重元素為118號元素。超重元素具有更大的核電荷數，其核結構和化學性質與已知元素可能存在差異，這將為核物理、原子物理、化學等領域或學科的發展帶來新的機遇與挑戰。此外，穩定或長壽命的超重元素可能具有重要的應用價值。因此，2005年美國

Science

雜志將“是否存在穩定的超重元素”列為125個有待解決的科學問題之一，2021年相關問題仍被列入該雜志攜手上海交通大學發布的“125個科學問題：探索和發現” [1] 。

文章將從“超重穩定島”的理論預言開始，簡要介紹超重原子核與新元素合成的研究背景、超重元素的化學性質；綜述超重原子核和超重元素的實驗和理論研究進展，特別是文獻[2]發表以來十余年的進展；探討合成新元素面臨的挑戰并展望未來的發展。

02

超重穩定島的理論預言

從原子層次看，核電荷數存在上限。若將原子核看作是一個點電荷，根據量子力學，原子內層電子的運動速度

v

Zαc

Z

為核電荷數，

為精細結構常數，

c

為光速)。考慮相對論效應，電子的運動速度不能超過光速，因此，核電荷數最多不能超過1/

≈137，即核電荷數為137及以上的元素無法存在。進一步考慮到原子核不是一個點電荷，而是帶正電荷的質子分布在一定的空間里，由量子電動力學計算，核電荷數的極限可提升至173 [3] 。

從原子核層次看，原子核的穩定性由核力和庫侖力的競爭決定。經典的液滴模型給出，短程吸引的核力使原子核傾向于保持為球形，而長程排斥的庫侖力會使原子核傾向于具有拉長的形變，兩者的競爭使得原子核存在一個位壘，這個位壘會阻止原子核發生裂變，決定原子核的裂變壽命。由于核力的飽和性，核力導致的吸引效應近似與核子數成正比，而庫侖排斥效應近似正比于質子數的平方。因此，質子數越大，庫侖排斥在原子核中的效應越顯著，裂變位壘的高度也會越低[4]。當質子數達到或超過104時，原子核的裂變位壘幾乎消失，即

Z

≥104 的原子核壽命極短(小于10 -14 s)，來不及俘獲電子以形成原子。

然而，原子核是一個量子多體系統，量子殼效應對原子核具有顯著影響。實驗表明，原子核中存在幻數，質子數或中子數等于幻數的原子核比相鄰的原子核更穩定，例如2、8、20、28、50和82等。目前已知最大的質子幻數為82，最大的中子幻數為126。1949年，邁耶和延森等人提出了原子核的殼層結構模型，通過引入較強的自旋—軌道耦合，成功解釋了原子核中的幻數，揭示了量子殼效應的重要性，并因此獲得了諾貝爾物理學獎[5]。基于該模型，如果量子殼效應足夠強，對于下一個質子和中子幻數附近的原子核，可能出現足夠高的裂變位壘，從而存在一系列穩定或長壽命原子核，突破經典理論給出的104號元素上限。這些由于量子殼效應存在的原子核被稱為超重原子核，相應的元素被稱為超重元素，它們所在的區域被稱為“超重穩定島”[6]。然而，這種量子殼效應是否足夠強，仍存在爭議，相關討論一直持續到20世紀60年代[7]。

對于超重原子核結構的理論研究，通常有兩類模型：宏觀—微觀模型和微觀模型。前者主要基于液滴模型等宏觀模型，通過引入微觀修正來 包含量子效應，具有計算復雜度低、易于開展系統性計算的優勢。后者以密度泛函理論為代表，從核子自由度出發構建原子核體系的哈密頓量，具有更好的微觀基礎，同時計算成本顯著增加。

早期核結構理論采用唯象單粒子勢，如Woods—Saxon勢、Nilsson勢等，預言

Z

=114和

N

=184分別是 208 Pb之后的下一個質子和中子幻數 [8] ，在這兩個幻數對應的雙幻核附近，量子殼效應可能足夠強，以產生足夠高的裂變位壘，阻止原子核發生裂變，從而形成相對穩定的超重核。在隨后的半個多世紀中，更多的唯象單粒子勢和多種宏觀—微觀模型都給出了類似的預言，包括近期發展的Koura—Yamada勢(一種改進的Woods—Saxon勢) [9] 和Weizs?cker—Skyrme模型 [10] 等。基于Koura—Yamada勢還預言了更多可能的幻數，包括質子幻數

Z

=126、138、154和164以及中子幻數

N

=228和308。

對于微觀模型，Skyrme—Hartree—Fock+BCS模型預言，除了

Z

=114、

N

=184之外，還存在

Z

=120、126，

N

=172等幻數 [11] ；采用Gogny密度泛函的Hartree—Fock—Bogoliubov (HFB)計算表明，穩定島的中心位于質子數

Z

=120和中子數

N

=184附近 [12] ；球形相對論連續譜Hartree—Bogoliubov模型則預言了質子幻數

Z

=120、132、138以及中子幻數

N

=172、184、198、228、238、258 [13] ；形變相對論連續譜Hartree—Bogoliubov模型給出的質子幻數和中子幻數分別為

Z

=120和

N

=184、258 [14，15] ；相對論HFB理論預言了質子幻數

Z

=120、138和中子幻數

N

=172、184、228、258 [16] 。表1列出了不同理論模型對超重核區幻數的預言，可以看出，中子幻數和質子幻數的理論預言仍存在較大差別。

表1　不同理論模型對超重核區質子幻數和中子幻數的預言

考慮高階形變(十六極、三十二極和六十四極等)對原子核結構的影響，宏觀—微觀模型[17]和微觀模型[18]均預言

Z

=108、

N

=162的 270 Hs( -270)是形變雙幻核。從圖1可以看出，其附近的核素會形成一個超重“淺灘”，連接已知核區和“超重穩定島” [19] 。目前，實驗上已經發現

Z

=108、

N

=162對應形變亞殼 [20，21] ，其附近存在一系列相對穩定的超重核，這證實了超重“淺灘”的存在，為探索“超重穩定島”和合成超重新元素提供了重要支撐。

圖1　超重核區已發現核素的核素圖。每個核素方塊的顏色代表該核素的半衰期

T

1/2 大小 [19] ；核素圖的背景展示了Weizs?cker—Skyrme模型給出的殼修正能量Δ

E

shell (其值越大代表核素越穩定)[10]

03

超重元素的化學性質

對于較輕的元素而言，核外電子的運動速度遠小于光速，其動質量和靜質量幾乎相同，非相對論理論已經可以很好地描述元素的化學性質。然而超重元素具有較大的核電荷數，原子核產生的庫侖電場更強，核外電子運動速度更快，動質量遠大于靜質量。在第七周期元素中，內層電子的動質量大約比靜質量大80%—90%，相對論效應十分顯著。因此，超重元素的化學性質可能與已知的元素周期律的外推性不一致。

在超重原子中，相對論效應主要分為三種：直接相對論效應、間接相對論效應和自旋—軌道耦合[22]。下面以第七周期的超重元素為例來討論。原子核產生的庫侖電場，對內層電子有很強的吸引作用。這種效應不僅僅對

K

層和

L

層的內層電子起作用，還會顯著影響到7

s

軌道和7

p

1/2 軌道上的價電子，使其波函數與原子核重疊幾率增加，能級能量降低，這種效應被稱為直接相對論效應。6

s

和6

p

1/2 電子軌道收縮，會導致這兩個軌道上的電子對原子核庫侖電場的屏蔽效應增強，從而使外層的6

和6

f

等電子軌道離原子核更遠，能級升高，這種效應被稱為間接相對論效應。自旋—軌道耦合也是相對論效應的一種體現，較強的自旋—軌道耦合效應導致7

p

1/2和7

p

3/2軌道發生較大的劈裂，對電子的殼層結構有著重要的影響。理論分析表明，這三種相對論效應的強度均隨著原子核電荷數

Z

的增加而增加，近似與

Z

2 成正比。因此，相對論效應對于超重元素的化學性質具有更加不可忽視的影響[22—24]。圖2展示了目前已經發現的超重元素部分電子能級的非相對論和相對論計算結果[25，26]，體現了相對論效應對于超重元素電子能級結構的重要作用。

圖2　相對論效應對超重元素部分電子能級的影響，實線和實心符號代表考慮相對論效應的電子能級[25]，虛線和空心符號代表非相對論計算得到的電子能級[26]

在重元素中，相對論效應已經有所體現。金的顏色呈現出金黃色，而原子序數較小的同族元素銀呈現出銀白色，這是由于在金原子中，相對論效應導致5

軌道上升，6

s

軌道降低，此時5

能帶到6

s

能帶的躍遷能量對應于可見光區域的藍色，這種吸收使金呈現金黃色。金屬元素汞在常溫常壓下呈現液態，這是由于汞的6

s

軌道被填滿，相對論效應導致6

s

軌道降低并趨于穩定，極大地削弱了汞原子間金屬鍵的強度。

在超重元素中，相對論效應的體現更為顯著。重元素鈁和鐳是第七周期的主族金屬元素，根據元素周期律，它們將比第六周期的銫和鋇元素更活潑。然而，鈁和鐳的第一電離能要比銫和鋇略大，性質更加穩定，這是由于相對論效應導致7

s

電子軌道能量更低，與其上未被占據的最低能級 7

p

1/2相距更遠。可以預期第八周期的119和120號超重元素將會呈現出更加穩定的性質。同時，相對論效應使得7

p

1/2軌道能級降低，這兩個

s

區元素也可能表現出一定的

p

區元素的性質 [27] 。如圖2所示，在超重核區相對論效應導致7

s

軌道下降，6

軌道上升。對于104號元素 、105號元素 和106號元素 來說，7

s

軌道能量比6

軌道能量低；對于107—112號超重元素，7

s

軌道能量也會比6

5/2軌道能量更低，出現了軌道能級反轉 [28] 。此外，112號元素 和114號元素 表現出部分惰性氣體的性質 [29，30] ，而118號 元素可能會表現得比其他稀有氣體更加活潑，偏離傳統的元素周期律。這是由于相對論效應導致7

s

軌道和 7

p

1/2軌道更加穩定， 和 恰好分別填滿了這兩條軌道。而對于 來說，更高能量的7

p

3/2軌道被填滿，可能會具有更加活潑的性質 [31] 。

可以看出，相對論效應會顯著影響超重原子中電子軌道的結構和穩定性。隨著原子序數的進一步增大，電子軌道填充情況變得更加復雜，元素的性質也會更加難以預測，元素周期律已經不能很好地描述超重元素的性質。怎樣理解元素周期律隨核電荷數的變化，包含更多元素的周期表將呈現什么樣的結構，都是重要的科學問題。

04

超重元素的合成機制與實驗進展

4.1　在自然界中尋找超重元素

目前，人們已經在自然界中找到了元素周期表中的絕大多數元素，其中最重的是鈾元素。然而，自然界中是否存在超重元素，仍是值得探索的問題。宇宙中各種元素的產生，主要來源于不同天體環境中發生的不同核過程。在雙中子星并合和超新星爆發等極端的天體環境下，劇烈的快中子俘獲過程可能會產生豐中子的超重核，并被拋撒在宇宙中，如果這些核素的壽命足夠長，就有可能被探測到。自20世紀70年代以來，一直有研究團隊試圖在自然界中尋找超重元素[32—40]，包括在宇宙線、隕石以及天然材料中尋找，取得了一些進展，但是目前沒有確切的證據表明自然界中存在超重元素[40]。

為了在宇宙線中尋找超重元素，相關研究團隊在美國“長期暴露設施”(Long Duration Exposure Facility，LDEF)衛星進行了超重宇宙射線實驗，但是并沒有發現超重元素[32]。在隕石形成和存活的過程中，保留了大量和宇宙線相互作用的信息，因此從隕石中尋找超重元素是一種可能的途徑。俄羅斯的研究團隊從鐵石隕石中提取了結構穩定的橄欖石晶體，發現了重離子徑跡中包括3個105<

Z

<130的超重核素，但這一發現有待進一步確認 [33，39] 。探索稀有自發裂變事件也是發現超重元素的一種方法。俄羅斯杜布納聯合核子研究所在深地實驗室進行了長達一年的測量，仍然沒有觀測到超出自然本底水平的稀有自發裂變事件 [33，34] 。此外，同族元素往往具有類似的化學性質，以此為依據，能指導我們對超重元素的搜尋。俄羅斯科學家從里海和貝加爾湖的幾千噸濃鹽水中，提取了富含鉛元素的樣品，從中尋找114號元素，然而也沒有發現超重元素的跡象 [34] 。除此之外，有團隊利用感應耦合等離子體—扇形磁場質譜法在天然的釷和金中發現了疑似超重原子核存在的證據 [35，36] 。

雖然相關探索已歷經半個多世紀，目前仍沒有發現自然界中超重元素存在的確切證據，但是這些研究推動了我們對超重元素的理解和技術的進步，對探索“超重穩定島”起到了重要的推動作用。

4.2　超重元素的合成機制

目前，主要利用核反應在實驗室人工合成超重元素和相應的超重核。鈾是目前在自然界中找到的質子數最大的元素，對于質子數大于鈾的元素，中子俘獲反應是重要的合成手段[41，42]。中子俘獲反應的主要機制為：原子核在俘獲中子后，發生β衰變，生成質子數更大的反應產物。自20世紀40年代以來，利用在反應堆和核爆炸中產生的高通量中子，已經實現了93—100號元素的合成。采用包含一個質子(氫核、氘核、氚核)和包含兩個質子(α粒子)的輕離子轟擊相應的靶核，也是合成重元素的主要途徑，利用這種方法，最重合成到了101號(鍆)元素。由于目前能用于實驗的靶材料核電荷數有限，合成比鍆更重的元素，需要采用比α粒子更重的離子(即包含更多的質子)作為彈核，通過重離子熔合蒸發反應來實現。

迄今為止，所有的超重元素和超重原子核都是通過重離子熔合蒸發反應合成的。理論上描述重離子熔合蒸發反應合成超重原子核的機制，一般把整個過程分為相對獨立的三步[43]：俘獲過程、復合核形成過程和存活過程，如圖3所示。首先，彈核以一定的入射能量轟擊靶核，若兩者能克服它們之間的庫侖位壘(壘下穿透或壘上越過)，即形成一個雙核體系(dinuclear system，DNS)，此即俘獲過程。俘獲截面隨入射能量增大而增大，實驗上一般選取高于庫侖位壘的質心系入射能量。俘獲過程形成的雙核體系不穩定。對于合成超重核的重離子反應，該體系會以極大的概率發生準裂變，在很短的時間內分裂為類彈和類靶碎片；但是，該體系仍有很小的概率形成超重復合核，此即復合核形成過程。一般地，入射能量越大，越容易形成復合核。這樣形成的復合核激發能很大(十幾至幾十個MeV)，因此發生裂變的概率很大；如果該復合核發射一個或多個中子，激發能降低同時保持質子數不變，超重核即可“存活”，這個過程被稱為存活過程。

超重復合核的存活概率，取決于其激發能大小和裂變位壘高度以及中子分離能的大小：激發能越高，存活概率越小；裂變位壘越高，存活概率越大。“存活”下來的超重核一般處于能量較低的激發態，激發能小于中子分離能，通過γ衰變退激到基態或同核異能態，進而發生一系列α衰變到相對穩定的原子核，實驗上通過測量這一系列衰變的特征譜線，并結合α衰變鏈上最后的子核，鑒別合成的超重核(圖3)。

圖3　利用重離子熔合蒸發反應合成超重核的三步過程及合成的超重核發生α衰變示意圖

基于重離子熔合蒸發反應合成超重核的截面一般很小，且隨入射能量有較大的變化。為了得到盡可能大的合成截面，通過選取合適的靶核和彈核，科學家提出了熱熔合、冷熔合和溫熔合機制。這里的“熱”、“冷”和“溫”指的是超重復合核體系的激發能大小。熱熔合機制于20世紀60年代由Seaborg等人提出，利用較輕的重離子(12C，15N，18O，22Ne等)作為彈核，確定相應的錒系靶核，并選取合適的入射能量。熱熔合反應形成的超重復合核激發能一般在40 MeV以上，需要發射4個或更多中子才能退激。相對于輕離子核反應，利用重離子轟擊錒系靶核，可以熔合形成更重的復合核。熱熔合反應體系的質量/電荷不對稱度仍然較大，因此其反應截面較大。102—106號元素的合成，就是基于熱熔合機制。

然而，隨著復合核體系的質子數逐漸增加，其裂變概率越來越大，合成截面也越來越小，為了合成更重的元素，1974年Oganessian提出了冷熔合機制[44]，利用雙幻核208Pb或者與其相鄰的209Bi作為靶核，根據目標超重核確定對應的彈核，并選取庫侖位壘附近的質心系入射能量

E

c.m. 。由于208Pb和209Bi的比結合能較大，這樣的反應體系Q值(為負)絕對值較大，相應地，超重復合核激發能

E

E

c.m.+

Q

較小，通常發射一個中子后就可以形成超重核，這意味著存活概率較大，從而給出較大的合成截面。這種方法形成的超重核往往是非常缺中子的。基于冷熔合機制，科學家合成了107—113號元素。

冷熔合機制合成的超重原子核，均位于形變雙幻核270Hs形成的“淺灘”附近。在這個“淺灘”附近，由于

Z

=108、

N

=162形變亞殼的存在，裂變位壘較高，合成的超重核較為穩定 [45] 。但隨著質子數進一步增大，合成的超重核會遠離這個核區，裂變位壘降低，合成截面急劇減小，接近實驗探測靈敏度極限，為此科學家又提出了溫熔合機制。溫熔合機制(有文獻仍稱其為熱熔合機制)是指利用雙幻核 48 Ca作為彈核，針對目標超重核確定對應的靶核。與冷熔合機制相比，溫熔合反應形成的超重復合核的激發能更高；但由于 48 Ca的比結合能較大，復合核的激發能相對于熱熔合機制稍小一些，一般在30—40 MeV，發射3個左右中子即可以形成超重核。由于錒系靶核的中子數與質子數之比(中質比)相較于 208 Pb和 209 Bi更大，與冷熔合反應合成的超重核相比，溫熔合反應合成的超重核盡管仍是缺中子核，但中子數會多一些，更接近下一個中子幻數，因此裂變位壘較高，從而存活概率較大，給出較大的合成截面。利用溫熔合機制，114—118號元素最終也被成功合成。

對于β穩定線附近的原子核，中質比會隨著質子數的增加而越來越大，因此，從β穩定線附近選取彈核和靶核，基于熔合蒸發反應只能合成缺中子超重核。合成理論預言的“超重穩定島”中心附近的原子核，需要探索新的合成機制，目前討論較多的有兩種方案：一種是利用豐中子的放射性核束轟擊靶核，但由于束流強度的限制，目前的技術條件不足以支持超重核合成實驗；另一種方案是采用重離子間的多核子轉移反應，這種反應是介于少數核子轉移反應和深度非彈性散射之間的一種反應過程[46—52]，通過在彈核和靶核之間轉移核子，實現目標核的合成。目前，實驗上通過多核子轉移反應合成的大多數核素均位于豐中子一側。多核子轉移反應是合成豐中子重核的有效方法，是通往“超重穩定島”的一條可能路徑[48，52，53]。然而，這一反應目前只成功合成了質子數

Z

=100附近和更小質量區的原子核，離超重核區還較遠。如何利用多核子轉移反應產生超重原子核，仍然需要理論和實驗的共同探索。

4.3　超重元素合成的實驗進展與元素命名

自理論預言了“超重穩定島”以來，科學家經過半個多世紀的努力，已經成功合成了

Z

≤118的15種超重元素。早在1974年以前，美國伯克利國家實驗室和俄羅斯的杜布納聯合核子研究所就利用熱熔合反應合成了102至106號元素 [54] ，其中后三個為超重元素。德國重離子物理研究所(GSI)歷時十余年，利用冷熔合反應合成了107至112號超重元素 [55] 。1999年至2009年，杜布納聯合核子研究所利用溫熔合反應合成了113至118號元素 [56，57] 。2003年，德國GSI重復了115號元素的合成實驗，證實了115號元素的合成 [58] 。2004年，日本理化學研究所基于冷熔合機制合成了113號元素 [59] 。2014年美國橡樹嶺國家實驗室和德國GSI證實了杜布納團隊合成的117號元素 [60] 。至此元素周期表的第七周期已經被填滿(圖4)。

圖4　元素周期表

在合成超重元素的過程中，新元素的命名工作也同步開展。國際純粹與應用物理聯合會和國際純粹與應用化學聯合會為此成立了一個聯合工作組，負責考察和認定新元素的實驗發現，并邀請發現者建議新元素的名稱。從104號開始的15種超重元素，均以人名、地名或國名進行命名。例如，113號元素命名為Nihonium，符號為Nh，該名稱源于日本的國名(Nihon)；118號元素被命名為Oganesson，符號為Og，該名稱意在向俄羅斯核物理學家Oganessian致敬，他是冷熔合機制的提出者，并在114—118號元素的發現和超重穩定島的實驗探索等方面取得了杰出成就[61]。

在我國，傳統上每種元素都有一個漢字表示的中文名。對于新元素的中文命名，由我國科學技術名詞審定委員會負責征集、審議并確定命名方案[62]。其中，最近的七個元素中文命名方案如下：2011年公布了112號元素的中文名“”[63]；2013年公布了114號元素的中文名“”和116號元素的中文名“”[64，65]；2017年公布了113號元素中文名“”，115號元素中文名“鏌”，117號元素中文名“”和118號元素中文名“”[66]。

4.4　超重新元素合成的現狀

迄今為止，科學家已經利用熔合反應合成了123種超重核素[21]。然而，目前已知中子數最大的核素293Lv和294Ts，距離理論預言的中子幻數

N

=184仍然差7個中子。從圖1可以看出，對于

Z

=110—118號元素的同位素鏈，隨著中子數增加，距離理論預言的“超重穩定島”中心越來越近，原子核的半衰期越來越大，即原子核的壽命越來越長。因此，可以期待，進一步增大中子數，超重核的壽命將會繼續增加。

如今，距離上一個新元素合成已經過去了十余年。為了將元素周期表拓展到第八周期，實驗家和理論家以極大的興趣，投入大量精力進行探索。德國GSI已經對119號和120號元素的合成進行了多次嘗試，但只得到了合成截面的上限。

當前，國際上有四個重要的核物理科研機構正在或即將開展新元素合成實驗。日本RIKEN以51V為彈核、以248Cm為靶核進行了119號元素合成實驗，束流時間長達428天，給出的合成截面上限為4.85 fb。俄羅斯杜布納聯合核子研究所將以54Cr為彈核、以248Cm為靶核進行120號元素合成實驗。美國的伯克利國家實驗室計劃以50Ti為彈核、以249Cf為靶核進行120號元素合成實驗。

在新元素合成方面，我國科研人員也投入了大量的人力物力。截止到目前，我國已經合成了41種新核素，包括兩個超重新核素259Db和270Bh[67]。中國科學院近代物理研究所的實驗團隊正在計劃以54Cr為彈核、以243Am為靶核進行119號元素合成實驗。

由于彈靶組合的限制，119號和120號元素的合成反應可能與熱熔合、冷熔合和溫熔合反應都不盡相同，需要理論和實驗合作探索合成機制。

05

合成超重新元素面臨的挑戰

實驗方面最大的挑戰是超重新元素合成截面極小。利用冷熔合反應最重合成到113號元素，其反應截面僅有19 fb[68]。理論預言，新元素合成截面也在這個量級，甚至可能更小。在現有的重離子加速器和探測設備上，這個量級的截面意味著要數月甚至數年才能觀測到一個事件。此外，重錒系靶材料的稀少也是目前相關實驗面臨的一個巨大困難。

利用重離子熔合反應合成的超重原子核都是缺中子的。如何合成豐中子超重原子核，是核物理領域的一個重要問題。多核子轉移反應很有可能是解決這一問題的關鍵。目前，實驗上通過原子核的特征α衰變來鑒別超重核素。對于超重穩定島上的原子核，若其足夠穩定，不具有α放射性或α衰變壽命過長，就需要發展鑒別超重原子核的新方法。

在理論方面，超重核的結構和衰變性質與合成機制等仍有待進一步探索。在超重核的結構研究方面，主要問題包括：超重核區殼層結構和幻數的預言，這直接決定了“超重穩定島”的中心位置；超重核的勢能曲面、裂變位壘、裂變路徑等，這些性質決定超重核的裂變穩定性，也為超重核的合成機制研究提供必要的輸入參數[69，70]；超重核的質量[71]、形狀[72—74]、同核異能態[75，76]等性質的理論預言；等等。在超重核的合成機制方面，主要問題包括：重離子熔合蒸發反應中俘獲截面、熔合概率和存活概率的計算，超重核合成截面的預言；新反應機制的探索[78—87]；等等。

目前，對于已知超重核，現有的理論模型給出的合成截面與實驗數據大致相符。然而，在未知核區，這些理論模型給出的預言存在較大的分歧。這些分歧一方面源自不同的理論模型所基于的假設和所采用近似不同，另一方面源自輸入反應模型的核結構信息存在不確定性。原子核是復雜的有限量子多體系統，如何深入理解理論模型背后的物理圖象，并減小核結構輸入量的不確定度，給出可靠的合成截面預言，是理論研究方面的重要挑戰。

06

總結與展望

合成新元素、拓展元素周期表涉及核物理、原子物理和化學等領域或學科，是物質科學探索的重要前沿。在過去的幾十年里，世界多國在超重核和超重元素研究方面投入了巨大的人力和物力，取得了重大進展，人工合成了104—118號15種超重元素，產生了深刻的社會影響。盡管如此，仍然有很多重要的科學問題有待解決：“超重穩定島”是否存在，超重元素的化學性質是否符合已知的元素周期律，超重原子核中是否存在奇特結構等。為了解決這些問題，需要進一步開展超重原子核和新元素的研究工作。

然而，目前超重原子核和新元素的合成仍面臨實驗和理論兩方面的諸多困難和挑戰。實驗上，合成截面極小對加速器和探測裝置提出了極高的要求，生產稀有重錒系元素同位素靶材料迫在眉睫，如何合成豐中子的超重核和發展新的鑒別方法，都是極大的挑戰。理論上，現有的模型在未知核區的預言仍然具有較大的不確定性，如何改進理論模型，減小計算結果的不確定度，也是超重核研究面臨的重要問題。

日本RIKEN、俄羅斯杜布納聯合核子研究所、美國伯克利國家實驗室和中國科學院近代物理研究所正在或即將進行新元素合成實驗，以開啟元素周期表第八周期。包括上述實驗室在內的一些科研機構也在積極開展超重新核素的合成和超重原子核性質的系統研究，以拓展核素版圖，探索“超重穩定島”。成功登上“超重穩定島”，其科學價值和社會價值都是無法估量的。

致 謝謹以此文紀念我們敬愛的趙恩廣老師(1940.7.12—2024.10.14)，他開啟了中國科學院理論物理研究所的超重原子核與新元素研究，在我國超重原子核與新元素合成理論研究中做出了重要貢獻。感謝與甘再國、郭璐、賀曉濤、黃明輝、Shivani Jain、李君清、陸曉、呂炳楠、孟杰、任中洲、王兵、王楠、王寧、許甫榮、徐瑚珊、楊華彬、張豐收、張肇西、張振華、張志遠、祝龍、鄒冰松、左維等的討論。

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《物理》50年精選文章