超重元素

**超重元素**（英語：Superheavy element）是指原子序數超過 103（鐒）的重元素。這些元素均為人工合成元素，具有極高的放射性，半衰期很短，非常不穩定。其中原子序位於 104（鑪）與 120（Ubn）之間者稱為錒系後元素；原子序位於 121（Ubu）與 153（Upt）之間者則稱為超錒系元素。目前所發現原子序數最大的超重元素是 118 號的鿫。由於超重元素的原子序數都大於 92（鈾），因此所有的超重元素也都屬於超鈾元素。

雖然超重元素的半衰期大多極短，且有隨著原子序數的增加而縮短的趨勢，然而也有例外：例如𨧀、鎶、鈇和鉝的一些同位素的半衰期就比預料中的還要長。格倫・西奧多・西博格預言了在這一系列元素中有更多的反常元素，並且把它們歸類於「穩定島」，即質子數或中子數為幻數的原子核具有特別的穩定性。

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。

超重元素中未發現的元素及已發現但尚未正式命名的元素，皆使用 IUPAC 元素系統命名法。超重元素的命名曾引起很大的爭論，104 到 109 號元素命名的爭論從二十世紀六十年代開始，一直到 1997 年才解決。

## 概論

### 超重元素的產生

一個超重元素的原子核是在兩個不同大小的原子核的聚變中產生的。粗略地說，兩個原子核的質量越不相等，兩者發生反應的可能性就越大。由較重原子核組成的物質會做成靶子，它會被較輕原子核的粒子束轟擊。兩個原子核只能在距離足夠近的時候，才能核融合成一個原子核。通常，原子核（全部都有正電荷）會因為靜電排斥而相互排斥。只有兩個原子核的距離足夠短時，強核力才能克服這個排斥力。束核因此被粒子加速器大大加速，以使這種排斥力與粒子束的速度相比變得微不足道。 施加到粒子束上以加速它們的能量可以使它們達到高達光速十分之一的速度。但是，如果施加太多能量，粒子束可能會分崩離析。

只是靠的足夠近不足以使兩個原子核融合。當兩個原子核逼近彼此時，它們通常會在一起約 10−20 秒，然後裂變（產物不需要和反應物相同），而不是形成一個單獨的原子核。發生這種情況是因為在嘗試形成單個原子核的過程中，靜電排斥會裂變正在形成的原子核。每一對目標和粒子束的特徵在於它的截面 —— 如果兩個原子核彼此接近，發生聚變的概率。 這種聚變可能是量子效應的結果，其中原子核可以通過靜電排斥進行隧穿。如果兩個原子核可以在該階段之後保持靠近，則多個核相互作用會導致能量的重新分配和平衡。

兩個原子核產生的一個原子核處於激發態，它被稱為複合原子核，非常不穩定。為了達到更穩定的狀態，這個暫時存在的原子核可能會直接核分裂，或是放出一些帶走激發能量的中子。如果中子不足以帶走這些激發能量，複合原子核就會放出 γ 射線。這個過程會在原子核碰撞後的 10−16 秒發生，並創造出更穩定的原子核。聯合工作團隊 (JWP) 定義，一個化學元素的原子核只有 10−14 秒內不進行放射性衰變，才能被識別出來。這個值大約是一個原子核得到它的外層電子，顯示其化學性質所需的時間。

### 衰變和探測

粒子束穿過目標後，會到達下一個腔室 —— 分離室。如果反應產生了一個新的原子核，它就會被這個粒子束攜帶。在分離室中，新產生的原子核會從其它核素（原本的粒子束和其它反應產物）中分離，並轉移到半導體探測器中，在這裡停止原子核。這時標記撞擊探測器的確切位置、能量和到達時間。這個轉移需要 10−6 秒的時間。也就是說，這個原子核需要存活這麼長的時間才能被檢測到。衰變被記錄後，這個原子核被再次記錄，並測量位置、衰變能量和衰變時間。

原子核的穩定性源自於強核力。然而，強核力的作用距離很短，隨著原子核越來越大，強核力對最外層的核子（質子和中子）的影響減弱。同時，原子核會被質子之間，範圍不受限制的靜電排斥力撕裂。強核力提供的核結合能以線性增長，而靜電排斥力則以原子序數的平方增長，即後者增長更快，並且對於重元素和超重元素變得越來越重要。因此，超重元素的主要衰變方式 ——α 衰變和自發裂變都是這種排斥引起的。 幾乎所有會 α 衰變的核素都有超過 210 個核子，而主要通過自發裂變衰變的最輕核素有 238 個核子。在這兩種衰變中，它們的有限位勢壘抑制了原子核衰變，但它們可以隧穿這個勢壘，發生衰變。

α 粒子通常在放射性衰變中產生。α 粒子中的每個核子的質量足夠小，足以為 α 粒子留下一些能量，用作離開原子核的動能。自發裂變則是由靜電排斥力將原子核撕裂，會產生各種不同的產物。隨著原子序數增加，自發裂變迅速變得重要：自發裂變的部分半衰期從鈾（元素 92）到鍩（元素 102）下降了 23 個數量級，從釷（元素 90）到鐨（元素 100）下降了 30 個數量級。早期的液滴模型因此表明，由於具有約 280 個核子的原子核的裂變勢壘消失，自發裂變幾乎會立即發生。 之後的核殼層模型表明具有大約 300 個核子的原子核將形成一個穩定島，其中的原子核對自發裂變的抵抗力更強，並且主要經歷具有更長半衰期的 α 衰變。 隨後的發現表明，預測存在的穩定島可能比原先預期的更遠。他們還表明，長壽命錒系元素和穩定島之間的原子核發生了變形，並從殼層效應中獲得了額外的穩定性。 對較輕的超重核素以及那些更接近穩定島的核素進行的實驗表明，它們已經顯示出比先前預期更大的抗自發裂變穩定性，表明殼層效應對原子核的重要性。

α 衰變由發射出去的 α 粒子記錄，在實際衰變之前很容易確定衰變產物。如果這樣的衰變或一系列連續衰變產生了一個已知的原子核，則可以很容易地確定反應的原始產物。（衰變鏈中的所有衰變確實彼此相關，因為這些衰變的位置確定的，它們必須在同一個地方。） 已知的原子核可以通過它經歷的衰變的特定特徵來識別，例如衰變能量（或更具體地說，發射粒子的動能）。然而，自發裂變會產生各種分裂產物，因此無法從其分裂產物確定原始核素。

因此，旨在合成超重元素的物理學家可以獲得的信息是探測器收集到的信息：粒子到達探測器的位置、能量和時間，以及粒子衰變的信息。物理學家分析了這些數據並試圖得出結論，它確實是由一種新元素引起的，不可能是由與聲稱的核素不同的核素引起的。通常，如果提供的數據不足以得出一個新元素確實是被創造出來的結論，並且對觀察到的影響沒有其他解釋，就可能在解釋數據時出現錯誤。

## 已發現的超重元素列表

## 參見

* 超鈾元素
* 穩定島
* 元素周期表
* 錒系後元素

## 注釋

## 參考資料

### 參考書目

* Audi, G.; Kondev, F. G.; Wang, M.; et al. The NUBASE2016 evaluation of nuclear properties. Chinese Physics C. 2017, **41** (3). 030001. Bibcode:2017ChPhC..41c0001A. doi:10.1088/1674-1137/41/3/030001.  
     pp. 030001-1–030001-17 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, pp. 030001-18–030001-138, Table I. The NUBASE2016 table of nuclear and decay properties （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Beiser, A. Concepts of modern physics 6th. McGraw-Hill. 2003. ISBN 978-0-07-244848-1. OCLC 48965418.
* Hoffman, D. C.; Ghiorso, A.; Seaborg, G. T. The Transuranium People: The Inside Story. World Scientific. 2000. ISBN 978-1-78-326244-1.
* Kragh, H. From Transuranic to Superheavy Elements: A Story of Dispute and Creation. Springer. 2018. ISBN 978-3-319-75813-8.
* Zagrebaev, V.; Karpov, A.; Greiner, W. Future of superheavy element research: Which nuclei could be synthesized within the next few years?. Journal of Physics: Conference Series. 2013, **420**. 012001. ISSN 1742-6588. doi:10.1088/1742-6596/420/1/012001 .