核化学与放射化学

新元素的合成

如何利用加速器束流与放射性锕系靶，通过重离子熔合蒸发反应将元素周期表的边界推向稳定岛。

直觉直觉：克服巨大斥力熔合原子核

每个原子核都带有正电荷。要让两个重原子核足够靠近以使短程强相互作用发挥结合作用，必须克服巨大的库仑势垒。即便它们成功熔合，形成的复合核也处于极高激发态，几乎总是因自发裂变而瓦解。仅靠蒸发出少数中子而幸存并产生单个超重原子，是极其罕见的事件。

比较热熔合（48Ca + 249Cf 经 3n 蒸发生成 294Og，随后连续 α 衰变至 282Cn 并发生自发裂变）与冷熔合（70Zn + 208Pb 经 1n 蒸发生成 277Cn，随后衰变至 257No）的交互模式图。

中学阶段中学阶段：超铀元素与熔合蒸发反应

定义: 复合核与熔合蒸发反应

当被加速的弹核与靶核完全并合时，它们形成一个共享全部质量、电荷及激发能的瞬态复合核。为了在不发生裂变的情况下回到基态，激发态核会蒸发一个或多个中子（xn 反应道），并通过发射伽马光子带走多余能量。

继镎（Z=93）和钚（Z=94）之后，直至费米（Z=100）的元素主要通过核反应堆中的连续中子俘获或在热核试验废墟中被发现（例如 1952 年常春藤麦克热核聚变试验中发现的锿和镄）。超过 Z=100 后，放射性半衰期极短使得无法积累足量材料制成反应靶，科学家必须采用重离子熔合技术：利用加速器将较重的弹核束流（如 48Ca 或 70Zn）轰击重金属靶（208Pb、209Bi 或锕系靶）。

\ce{^{48}_{20}Ca + ^{249}_{98}Cf -> [^{297}_{118}Og^*] -> ^{294}_{118}Og + 3 ^1_0n}

超铀及超重元素合成的重要里程碑
元素	Z	年份	反应与方法	实验机构与团队
镎 (Np)	93	1940	热中子俘获： $\ce{^{238}U(n,\gamma) ->[\beta^-] ^{239}Np}$	伯克利 60 英寸回旋加速器（麦克米伦与阿贝尔森）
钚 (Pu)	94	1940–1941	氘核束流轰击： $\ce{^{238}U + ^2H -> ^{238}Np + 2n}$	加州大学伯克利分校（西博格、麦克米伦团队）
𬭛至鎶 (Z=107–112)	107–112	1981–1996	$\ce{^{208}Pb}$ / $\ce{^{209}Bi}$ 靶冷熔合（1n 反应道）	达姆施塔特 GSI 研究所 SHIP 分离器（霍夫曼团队）
鿭 (Nh)	113	2004–2012	冷熔合反应： $\ce{^{70}_{30}Zn + ^{209}_{83}Bi -> ^{278}_{113}Nh + n}$	理化学研究所仁科加速器科学研究中心 GARIS（森田团队）
𫓧至奥加涅松 (Z=114–118)	114–118	1999–2010	热熔合： $\ce{^{48}Ca}$ 轰击重锕系靶（3n–4n 反应道）	杜布纳 FLNR (DGFRS) 联合 LLNL 与 ORNL（奥加涅相团队）

例题: 通过基因关联衰变链鉴定单个原子

在重离子实验中，产率极低，必须对单个原子进行确凿无误的鉴定。反冲核分离器和位置敏感探测器如何证明生成了 118 号元素的一个原子？

解答

反冲核分离器在数微秒内滤除未反应的束流离子，将熔合产物注入硅微条探测器。探测器记录确切的像素坐标与注入时刻。在该像素点内，观测到相继发生的 α 衰变：294Og 发射 α 粒子（11.65 MeV）衰变至 290Lv，再经 α 衰变（10.84 MeV）至 286Fl，随后经 α 衰变至 282Cn，最终以自发裂变终止。空间坐标的高度重合与寿命特征锚定已知子核，从而无可辩驳地确立了母核身份。

大学大学阶段：反应运动学、库仑势垒与激发能

在重离子熔合中，质量数 A1、电荷 Z1 的弹核与靶核（A2, Z2）碰撞。静电势能在两核接触半径 R = r0 (A1^(1/3) + A2^(1/3)) 处达到峰值。冷熔合采用较重的入射核（50Ti、54Cr、58Fe、62Ni、64Ni、70Zn）轰击球形闭壳靶（208Pb、209Bi），生成的复合核激发能较低（E ~ 10–15 MeV），仅蒸发 1 或 2 个中子。热熔合则利用双幻核 48Ca 轰击变形的锕系靶（238U、242Pu、243Am、245Cm、248Cm、249Bk、249Cf），工作在 E ~ 30–35 MeV，通常经过 3n 或 4n 蒸发通道。著名的反冲分离器包括 GSI 的 SHIP 与 TASCA、理研的 GARIS 以及杜布纳的 DGFRS。

V_C \approx \frac{Z_1 Z_2 e^2}{4\pi\varepsilon_0 \, r_0 (A_1^{1/3} + A_2^{1/3})} \approx \frac{1.44 \, Z_1 Z_2}{r_0 (A_1^{1/3} + A_2^{1/3})} \;\mathrm{MeV}

例题: 48Ca 轰击 249Cf 的库仑势垒与质心系运动学估算

取 r0 = 1.30 fm，估算 48Ca（Z1 = 20, A1 = 48）与 249Cf（Z2 = 98, A2 = 249）融合时的接触库仑势垒。若质心系反应能量 E_cm = 252 MeV，反应 Q 值为 -217 MeV，求复合核 297Og 的激发能 E。

解答

首先计算核半径项：48^(1/3) = 3.634，249^(1/3) = 6.292，两者之和为 9.926。取 r0 = 1.30 fm，分母为 1.30 9.926 = 12.90 fm。接触库仑势垒为 V_C = 1.44 20 98 / 12.90 = 218.7 MeV。复合核激发能为 E = E_cm + Q = 252 + (-217) = 35 MeV。这约 35 MeV 的能量通过蒸发 3 个中子（每个中子结合能约 7 MeV，动能约 2–3 MeV）及级联伽马跃迁释放，最终生成基态 294Og。

进阶高级阶段：微观壳修正与稳定岛

依照经典液滴模型，裂变性参数 x = (Z^2 / A) / (Z^2 / A)_crit 预示着当 Z >= 104 时，裂变势垒降为零（B_fiss = 0），原子核将在 10^-22 秒内瞬时自发裂变瓦解。超重原子核之所以能够存在，完全归功于微观量子壳修正 delta U_shell。单粒子能级的聚集在核势能面上形成了人工势阱，重建了 5 至 8 MeV 的裂变势垒。微观理论预测，在球形中性子闭壳 N = 184 及质子闭壳 Z = 114、120 或 126 附近存在一个寿命显著延长的“稳定岛”。

B_{\mathrm{fiss}}(Z, N) = B_{\mathrm{macro}}(Z, N) + \delta U_{\mathrm{shell}}(Z, N) + \delta P_{\mathrm{pair}}(Z, N)

科研前沿研究：利用钛-50束流探索 119 与 120 号新元素

截至 2025 年，日本理化学研究所、俄罗斯杜布纳 FLNR 超重元素工厂（SHE Factory）以及德国 GSI 正全力攻坚 50Ti + 249Bk -> 299(119)、50Ti + 249Cf -> 299(120) 以及 54Cr + 248Cm 等聚变反应。这些反应截面已暴跌至数十至数百飞靶（fb）区间，将分离器传输率、高速旋转靶轮冷却和探测电子学系统推向了物理工程极限。

参考文献

Super-heavy element research · Y. T. Oganessian, V. K. Utyonkov, 2015
Experiment on the Synthesis of Element 113 in the Reaction 209Bi(70Zn,n)278113 · K. Morita et al., 2004
Toward the Discovery of New Elements: Production of Livermorium (Z=116) with 50Ti · J. M. Gates et al., 2024