我们不知道答案的 125 个科学问题（44）稳定的重元素
我们不知道答案的 125 个科学问题（44）稳定的重元素作者：张林 | 发表时间：2023-6-27 11:31 | 个人分类：科学教育 | 系统分类：科普集锦
44 . 还存在稳定的超高原子序数的元素吗？
Are there stable high-atomic-number elements?
原子序数（atomic number）是元素在周期表中排列的次序，其等于原子核内质子的个数，所以也称为质子数，当然它也等于原子核外的电子数。而原子核的中子数加质子数就等于原子的质量数。质子数相同而质量数（中子数）不同的原子称为同位素。
高原子序数的重元素由于原子核较大而不稳定，会发生核衰变转化为稳定的原子核，这种元素一般称为放射性元素。某一种元素的稳定性可以用同位素原子核的寿命来表征，而元素原子核的寿命一般用它的半衰期来标定，所谓的半衰期就是某种同位素原子的数目衰变为原来的一半所用的时间。半衰期的长短可以用来度量原子核的稳定性，当然是半衰期越长，原子核就越稳定，例如 84 号元素钋 235 的半衰期仅为 0.0018 秒，6 号元素碳 14 的半衰期为 5730 年（所以常用来标定年代），而 92 号元素铀 238 的半衰期可以达到 45 亿年。原子同位素的稳定性一直以来都是物理学家和化学家关注的重要问题之一。
目前公认的最完整的元素周期表如下图 1 所示，该元素周期表的最后一行即第 7 行的最后一个元素为 Og（中文名称为“气+奥”，因为似乎中文里还没有这个字，是气字头下加一个奥字，和其他惰性气体的名称一样，如氦、氖、氩、氪、氙、氡一样）。该元素显然是一种人造的元素，因为它的原子核及其不稳定，被制造出来后万分之一秒内就通过阿尔法衰变为 116 号元素 Lv ，也就是说 118 号元素 Og 的半衰期大概为 0.89 毫秒；而元素 116 号 Lv 也不稳定会衰变为 114 号元素 FI ，随后 FI 又通过阿尔法衰变为 112 号元素 Cn ，直到最后 Cn 经过阿尔法衰变为两个大小差不多的稳定原子核。
图 1 公认的元素周期表
在元素周期表的 118 个元素中，只有 92 个元素是在自然界中发现的，而另外 26 种元素都是在实验室人工合成的（第一个人工合成的超铀元素为 1940 年由 Edwin McMillan 和 Philip Abelson 制造的 93 号元素镎 Np ）。人工合成元素主要采用将两个质量数较小的原子核高速撞击聚合为更重的元素。例如刚刚提到的 118 号元素 Og ，就是用高速的钙 29 核撞击锎 98 得到。而其他的人造元素如 2000 年初宣布的 113、115、118 号元素，2010 年制造的 117 号元素 Ts 等等都是利用这个方法。显然能在自然界被发现的元素一般都应该是足够稳定的元素，而那些寿命非常短的元素就只能在实验室被发现了，就如同 118 元素 Og ，在实验室被制造出来只能存活不到万分之一秒的时间。
然而元素周期表第 8 行那些更高原子序数的重元素还存在吗？比如第 119 号元素（据说该元素的名称已经起好了，就等着确认后往元素周期表中添加了。新元素被制造出来后要得到国际纯粹与应用化学联合会 Iupac 的确认才能最终被加到元素周期表中）。但从目前实际的情况来看，到现在为止依然没有任何一个研究小组宣布他们制造出了元素周期表中第 8 行的任何一个元素。这种制造元素周期表第 8 行元素的缓慢进程到底是什么原因造成的呢？是因为化学家都不做这种实验了，还是元素周期表第 8 行就根本不存在能够稳定存在一段时间并可以被探测到的原子核？
首先并非是化学家们都不去做人工合成元素的实验了，必定合成新元素历来都是非常重大的事件，而其中最主要的原因是人工合成新元素的困难难以克服。以往利用钙元素轰击一个重原子核的方法虽然成功制造了第 7 行从 114 到 118 号元素，但利用这种方法制造更高原子序数的元素时发生了困难，似乎必须用比钙原子核更重的元素去轰击更重的原子核才能产生大于 118 的重元素，然而这种方法也没有得到任何结果。早在 2007 年，俄罗斯杜布纳联合核研究所（JINR）和德国亥姆霍兹重离子研究中心（GSI）的研究人员就分别尝试用铁 Fe 轰击钚 Pl 和用镍 Ni 轰击铀 U 来合成 120 号元素，但实验除了得到一堆由轻原子序数的核和其他粒子组成的混合物之外，没有找到 120 或任何其他原子序数高于 118 的元素。实验上的困难似乎在提出一个基本的问题：到底存不存在原子序数很高但依然稳定的重元素？这就是元素同位素原子核的稳定性问题。
图 2 元素的稳定性图及不同的衰变方式
核研究人员发现，原子核的稳定性和原子核中的中子数有很大的关系。由于原子核中的质子之间存在很强的电荷斥力，所以原子核的稳定性必须依靠中子的粘合来平衡。目前一个基本的发现是：具有某些中子数的原子核是稳定的，比如 2、8、14、20、28、50、82、126 等偶数中子的原子核是稳定的，被称为中子幻数。也就是说对于原子核来说，具有中子数幻数的原子核其能量更低。然而这个中子幻数并非能给出所有稳定的原子核，所以后来发现原子核的中子数和质子数之比（n/p）是一个衡量原子核稳定性的比较好的参数。对于中子数少于 20 的原子核来说，中子质子比接近 1 的原子核是稳定的；而当中子数超过 20 以后稳定核的 n/p 的值随中子数增加而增长（图 2 中黑色方块）。如果我们以中子数为纵坐标，以质子数为横坐标，以原子核的寿命长短为标志涂上不同的颜色，我们就能得到如图 2 左所示的不同同位素原子核的稳定性图谱，其组成了一个狭长的岛。显然原子序数在 84 以上的原子核一般都不稳定，似乎都存在核衰变，如图 2 右侧的图所示。相对于稳定核的黑线，中子数相对多的原子核一般通过负贝塔衰变为稳定核（回到黑方块线），而中子数少的则主要通过正贝塔衰变（重核主要通过阿尔法衰变）衰变为稳定核。
2005 年《科学》杂志提出这个问题正是希望知道：有没有可能存在原子序数大于 84 而依然稳定的重核元素？当时科学原文对该问题评述所举的例子就是刚刚制造出来的 114 号元素 FI（鈇）。根据图 2 中的稳定岛可以预言，如果科学家能够制造出质子数是 114 而中子幻数是 184 的鈇 FI 元素 298 ，那么它应该是稳定的。然而目前的现实是 114 号元素 FI 的四种同位素 286 到 289（中子数 172 到 175 ）都是不稳定的。2004 年科学家在重离子回旋加速器中利用钙离子束轰击钚或锔的几种同位素，通过核融合反应得到 114 号鈇元素的四种同位素的寿命基本都在秒量级，最长的也只有 30 秒。然而由于中子幻数是 184 的鈇 FI 元素 298 到现在还没有被制造出来，所以该问题依然存在：那就是元素周期表中还有没有可能存在高原子序数的稳定元素？如果有，那哪时候能被制造出来（由于稳定应该很快能被制造出来）；没有，那为什么会不存在？
“所以该问题依然存在：那就是元素周期表中还有没有可能存在高原子序数的稳定元素？如果有，那哪时候能被制造出来（由于稳定应该很快能被制造出来）；如果没有，那为什么会不存在？” --- 我曾经发过一个相关的帖子，应该可以解释不存在高原子序数的稳定元素的理由：
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闲聊等离子体物理(Plasma Physics)
http://www.cfluid.com/forum.php?mod=viewthread&tid=141007&extra=page%3D4
静电力作用的特点是“同性相斥，异性相吸”，且静电力要比万有引力还要大得多之又多。在上面的讨论中，我们还提到了铁原子，说它的“原子序号是26，即每个铁原子含有26个质子和26个电子”。那26个质子可都是聚集在原子核中间的一个很小的空间内的。那么多质子之间的“同性相斥”的静电力岂不会把那些质子很快地推斥到原子核之外的自由空间中去？据此，我们可推测出在原子核内部一定还存在着比静电力还要强得多的“同性相吸”的一种新的作用力来把那些质子紧紧地吸引在一起。此外，尽管这种新的原子核内的作用力非常强，我们并不希望它对临近的原子产生任何影响，即我们并不希望这种核力有时会把临近原子中的原子核也一并吸引过来。根据上面的讨论，我们自然而然地可以选择原子核内作用力的位势场含有随距离指数衰减的形式来满足所需的要求。一个熟知的(介子)位势就是Yukawa位势（Hideki Yukawa，汤川秀树，日本首位诺贝尔奖获得者）：
_w = -C_y*exp(-r/d)/(4*pi*r).
Yukawa位势场的表达式形式上同上面含有屏蔽效应的静电位势场相同，但具有不同的常数。其中刻划作用距离的常数
d = 1.4E-13 cm.
一般原子半径的尺度由波尔半径确定：
a_0 = 5.3E-9 cm.
即Yukawa位势场的作用距离（范围）要比原子半径小4个多数量级。
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上面的d=1.4E-13cm可认为是一个基本（普适）常数。可容纳中子、质子的空间就这么大，自然不可能使得高原子序数的元素会在电磁力作用下稳定存在。
一个相关有意思的故事是日本人接受西方传统，结婚后妻子须改为夫家姓。但汤川秀树是上门女婿，所以“汤川”其实是他的妻家姓。
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