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最重元素概论

四月 16, 2023

这是关于单个元素的文章的简短介绍。关于更长、更详细的介绍，参见超重元素 § 概论。
参见：超重元素 § 概论

超重元素[a]的原子核是在两个不同大小的原子核[b]的聚变中产生的。粗略地说，两个原子核的质量之差越大，两者发生反应的可能性就越大。[7]由较重原子核组成的物质会作為靶子，被较轻原子核的粒子束轰击。两个原子核只能在距离足够近的时候，才能聚变成一个原子核。原子核（全部都有正电荷）会因为静电排斥而相互排斥，所以只有两个原子核的距离足够短时，强核力才能克服这个排斥力并发生聚变。粒子束因此被粒子加速器大大加速，以使这种排斥力与粒子束的速度相比变得微不足道。[8]不过，只是靠得足够近不足以使两个原子核聚变：当两个原子核逼近彼此时，它们通常会融為一體约10−20秒，之後再分開（分開後的原子核不需要和先前相撞的原子核相同），而非形成单一的原子核。[8][9]如果聚变发生了，两个原子核产生的一个原子核会处于激发态[10]，被称为複合原子核，非常不稳定。[8]为了达到更稳定的状态，这个暂时存在的原子核可能会直接核裂变，[11]或是放出一些带走激发能量的中子。如果这些激发能量不足以使中子被放出，复合原子核就会放出γ射线。这个过程会在原子核碰撞后的10−16秒发生，并创造出更稳定的原子核。[11]联合工作团队（英语：IUPAC/IUPAP Joint Working Party）（JWP）定义，化学元素的原子核只有10−14秒内不进行放射性衰变，才能被识别出来，这个值大约是原子核得到它的外层电子，显示其化学性质所需的时间。[12][c]

核聚变反应的图示。两个原子核融合成一个，并发射出一个中子。在这一刻，这个反应和用来创造新元素的反应是相似的，唯一可能的区别是它有时会释放几个中子，或者根本不释放中子。
外部视频链接
基于澳大利亚国立大学的计算，核聚变未成功的可视化[1]

粒子束穿过目标后，会到达下一个腔室——分离室。如果反应产生了新的原子核，它就会被这个粒子束携带。[14]在分离室中，新产生的原子核会从其它核素（原本的粒子束和其它反应产物）中分离，[d]并转移到半导体探测器（英语：Semiconductor detector）中，在这里停住原子核。撞击至探測器時的确切位置、能量和到达时间將會被記錄下來。[14]这个转移需要10−6秒的时间，意即这个原子核需要存活这么长的时间才能被检测到。[17]若衰变發生，衰變的原子核被再次记录，并测量位置、衰变能量和衰变时间。[14]

原子核的稳定性源自于强核力，但强核力的作用距离很短，随着原子核越来越大，强核力对最外层的核子（质子和中子）的影响减弱。同时，原子核会被质子之间，范围不受限制的静电排斥力撕裂。[18]超重元素[19]的主要衰变方式——α衰变和自发裂变都是这种排斥引起的。[e]α衰变由发射出去的α粒子记录，在实际衰变之前很容易确定衰变产物。如果这样的衰变或一系列连续衰变产生了一个已知的原子核，则可以很容易地确定反应的原始产物。[f]（衰变链中的所有衰变都必须在同一个地方发生。）[14] 已知的原子核可以通过它经历的衰变的特定特征来识别，例如衰变能量（或更具体地说，发射粒子的动能）。[g]然而，自发裂变会产生各种分裂产物，因此无法从其分裂产物确定原始核素。[h]

嘗試合成超重元素的物理学家可以获得的信息是探测器收集到的信息：粒子到达探测器的位置、能量和时间，以及粒子衰变的信息。物理学家分析这些数据并试图得出结论，確認它确实是由新元素引起的，而非由不同的核素引起的。如果提供的数据不足以得出创造出来的核素确实是新元素的结论，并且对观察到的效應没有其他解释，就可能在解释数据时出现错误。[i]

注释

  1. ^ 在核物理学中，如果一个元素有高原子序，就可以被称为重元素。82号元素铅就是重元素的例子。“超重元素”这一词通常指原子序大于103的元素（尽管也有其它的定义，例如原子序大于100[2]或112。[3]有时这一词和锕系后元素是同义词，将超重元素的上限定在还未发现的超锕系元素的开始。）[4]（那个元素的）“超重同位素”和“超重核素”顾名思义——分别是（那个元素的）高质量同位素和高质量的核素。
  2. ^ 2009年，由尤里·奥加涅相引领的团队在JINR发表了他们通过对称的136Xe + 136Xe反应，尝试合成𬭶的结果。他们未能在这个反应中观察到单个原子，因此对截面设置了上限，即核反应概率的度量为2.5 pb。[5]作为比较，发现𬭶的反应208Pb + 58Fe的截面约为20 pb（进一步来说，为19+19
    -11     pb），符合发现者的预测。[6]
  3. ^ 这个值也标志着普遍接受的复合原子核寿命上限。[13]
  4. ^ 这种分离是基于产生的原子核会比未反应的粒子束更慢地通过目标。分离器中包含电场和磁场，若粒子速度恰好，則電場與磁場对运动粒子的影响会剛好抵消。[15]飞行时间质谱法（英语：Time-of-flight mass spectrometry）和反冲能量的测量也有助分离，两者结合可以估计原子核的质量。[16]
  5. ^ 不是所有放射性衰变都是因为静电排斥力导致的。举个例子，β衰变是弱核力导致的。[20]
  6. ^ 由于原子核的质量不是直接测量的，而是根据另一个原子核的质量计算得出的，因此这种测量称为间接测量。直接测量也是有可能的，但在大多数情况下，它们仍然无法用于超重原子核。[21]2018年，LBNL首次直接测量了超重原子核的质量，[22]它的质量是根据转移后原子核的位置确定的（位置有助于确定其轨迹，这与原子核的质荷比有关，因为转移是在有磁铁的情况下完成的）。[23]
  7. ^ 如果在真空中发生衰变，那么由于孤立系统在衰变前后的总动量必须保持守恒，衰变产物也将获得很小的速度。这两个速度的比值以及相应的动能比值与两个质量的比值成反比。衰变能量等于α粒子和衰变产物的已知动能之和。[24]这些计算也适用于实验，但不同之处在于原子核在衰变后不会移动，因为它与探测器相连。
  8. ^ 自发裂变是由苏联科学家格奥尔基·弗廖罗夫发现的。[25]LBL的科学家们认为自发裂变的信息不足以声称合成元素，他们认为对自发裂变的研究还不够充分，无法将其用于识别新元素，因为很难确定复合原子核是不是仅喷射中子，而不是质子或α粒子等带电粒子。[13]因此他们更喜欢通过连续的α衰变将新的同位素与已知的同位素联系起来。[25]
  9. ^ 举个例子，1957年，元素102在瑞典斯德哥尔摩省斯德哥尔摩的诺贝尔物理研究所被错误地鉴定。[26]早先没有关于该元素发现的明确声明，所以由它的瑞典、美国和英国发现者命名为nobelium。后来证明这个元素的鉴定是错误的。[27]第二年，RL无法重现瑞典的结果，而是宣布他们合成了该元素，这一说法后来也被驳回。[27] JINR坚持认为他们是第一个发现该元素的人，并为新元素建议命名为joliotium，[28]而这个名称也没有被接受（JINR后来认为元素102的命名是仓促的）。[29]这个名称是在IUPAC对元素发现优先权的裁决的书面答复中提出的，该裁决于1992年9月29日签署。[29]但由于其广泛使用，“nobelium”这个名称仍然保持不变。[30]

参考资料

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四月 16, 2023
最重元素概论, 这是关于单个元素的文章的简短介绍, 关于更长, 更详细的介绍, 参见超重元素, 概论, 参见, 超重元素, 概论, 超重元素, 的原子核是在两个不同大小的原子核, 的聚变中产生的, 粗略地说, 两个原子核的质量之差越大, 两者发生反应的可能性就越大, 由较重原子核组成的物质会作為靶子, 被较轻原子核的粒子束轰击, 两个原子核只能在距离足够近的时候, 才能聚变成一个原子核, 原子核, 全部都有正电荷, 会因为静电排斥而相互排斥, 所以只有两个原子核的距离足够短时, 强核力才能克服这个排斥力并发生聚变,. 这是关于单个元素的文章的简短介绍 关于更长 更详细的介绍 参见超重元素 概论 参见 超重元素 概论 超重元素 a 的原子核是在两个不同大小的原子核 b 的聚变中产生的 粗略地说 两个原子核的质量之差越大 两者发生反应的可能性就越大 7 由较重原子核组成的物质会作為靶子 被较轻原子核的粒子束轰击 两个原子核只能在距离足够近的时候 才能聚变成一个原子核 原子核 全部都有正电荷 会因为静电排斥而相互排斥 所以只有两个原子核的距离足够短时 强核力才能克服这个排斥力并发生聚变 粒子束因此被粒子加速器大大加速 以使这种排斥力与粒子束的速度相比变得微不足道 8 不过 只是靠得足够近不足以使两个原子核聚变 当两个原子核逼近彼此时 它们通常会融為一體约10 20秒 之後再分開 分開後的原子核不需要和先前相撞的原子核相同 而非形成单一的原子核 8 9 如果聚变发生了 两个原子核产生的一个原子核会处于激发态 10 被称为複合原子核 非常不稳定 8 为了达到更稳定的状态 这个暂时存在的原子核可能会直接核裂变 11 或是放出一些带走激发能量的中子 如果这些激发能量不足以使中子被放出 复合原子核就会放出g射线 这个过程会在原子核碰撞后的10 16秒发生 并创造出更稳定的原子核 11 联合工作团队 英语 IUPAC IUPAP Joint Working Party JWP 定义 化学元素的原子核只有10 14秒内不进行放射性衰变 才能被识别出来 这个值大约是原子核得到它的外层电子 显示其化学性质所需的时间 12 c 核聚变反应的图示 两个原子核融合成一个 并发射出一个中子 在这一刻 这个反应和用来创造新元素的反应是相似的 唯一可能的区别是它有时会释放几个中子 或者根本不释放中子 外部视频链接基于澳大利亚国立大学的计算 核聚变未成功的可视化 1 粒子束穿过目标后 会到达下一个腔室 分离室 如果反应产生了新的原子核 它就会被这个粒子束携带 14 在分离室中 新产生的原子核会从其它核素 原本的粒子束和其它反应产物 中分离 d 并转移到半导体探测器 英语 Semiconductor detector 中 在这里停住原子核 撞击至探測器時的确切位置 能量和到达时间將會被記錄下來 14 这个转移需要10 6秒的时间 意即这个原子核需要存活这么长的时间才能被检测到 17 若衰变發生 衰變的原子核被再次记录 并测量位置 衰变能量和衰变时间 14 原子核的稳定性源自于强核力 但强核力的作用距离很短 随着原子核越来越大 强核力对最外层的核子 质子和中子 的影响减弱 同时 原子核会被质子之间 范围不受限制的静电排斥力撕裂 18 超重元素 19 的主要衰变方式 a衰变和自发裂变都是这种排斥引起的 e a衰变由发射出去的a粒子记录 在实际衰变之前很容易确定衰变产物 如果这样的衰变或一系列连续衰变产生了一个已知的原子核 则可以很容易地确定反应的原始产物 f 衰变链中的所有衰变都必须在同一个地方发生 14 已知的原子核可以通过它经历的衰变的特定特征来识别 例如衰变能量 或更具体地说 发射粒子的动能 g 然而 自发裂变会产生各种分裂产物 因此无法从其分裂产物确定原始核素 h 嘗試合成超重元素的物理学家可以获得的信息是探测器收集到的信息 粒子到达探测器的位置 能量和时间 以及粒子衰变的信息 物理学家分析这些数据并试图得出结论 確認它确实是由新元素引起的 而非由不同的核素引起的 如果提供的数据不足以得出创造出来的核素确实是新元素的结论 并且对观察到的效應没有其他解释 就可能在解释数据时出现错误 i 注释 编辑 在核物理学中 如果一个元素有高原子序 就可以被称为重元素 82号元素铅就是重元素的例子 超重元素 这一词通常指原子序大于103的元素 尽管也有其它的定义 例如原子序大于100 2 或112 3 有时这一词和锕系后元素是同义词 将超重元素的上限定在还未发现的超锕系元素的开始 4 那个元素的 超重同位素 和 超重核素 顾名思义 分别是 那个元素的 高质量同位素和高质量的核素 2009年 由尤里 奥加涅相引领的团队在JINR发表了他们通过对称的136Xe 136Xe反应 尝试合成𬭶的结果 他们未能在这个反应中观察到单个原子 因此对截面设置了上限 即核反应概率的度量为2 5 pb 5 作为比较 发现𬭶的反应208Pb 58Fe的截面约为20 pb 进一步来说 为19 19 11 pb 符合发现者的预测 6 这个值也标志着普遍接受的复合原子核寿命上限 13 这种分离是基于产生的原子核会比未反应的粒子束更慢地通过目标 分离器中包含电场和磁场 若粒子速度恰好 則電場與磁場对运动粒子的影响会剛好抵消 15 飞行时间质谱法 英语 Time of flight mass spectrometry 和反冲能量的测量也有助分离 两者结合可以估计原子核的质量 16 不是所有放射性衰变都是因为静电排斥力导致的 举个例子 b衰变是弱核力导致的 20 由于原子核的质量不是直接测量的 而是根据另一个原子核的质量计算得出的 因此这种测量称为间接测量 直接测量也是有可能的 但在大多数情况下 它们仍然无法用于超重原子核 21 2018年 LBNL首次直接测量了超重原子核的质量 22 它的质量是根据转移后原子核的位置确定的 位置有助于确定其轨迹 这与原子核的质荷比有关 因为转移是在有磁铁的情况下完成的 23 如果在真空中发生衰变 那么由于孤立系统在衰变前后的总动量必须保持守恒 衰变产物也将获得很小的速度 这两个速度的比值以及相应的动能比值与两个质量的比值成反比 衰变能量等于a粒子和衰变产物的已知动能之和 24 这些计算也适用于实验 但不同之处在于原子核在衰变后不会移动 因为它与探测器相连 自发裂变是由苏联科学家格奥尔基 弗廖罗夫发现的 25 LBL的科学家们认为自发裂变的信息不足以声称合成元素 他们认为对自发裂变的研究还不够充分 无法将其用于识别新元素 因为很难确定复合原子核是不是仅喷射中子 而不是质子或a粒子等带电粒子 13 因此他们更喜欢通过连续的a衰变将新的同位素与已知的同位素联系起来 25 举个例子 1957年 元素102在瑞典斯德哥尔摩省斯德哥尔摩的诺贝尔物理研究所被错误地鉴定 26 早先没有关于该元素发现的明确声明 所以由它的瑞典 美国和英国发现者命名为nobelium 后来证明这个元素的鉴定是错误的 27 第二年 RL无法重现瑞典的结果 而是宣布他们合成了该元素 这一说法后来也被驳回 27 JINR坚持认为他们是第一个发现该元素的人 并为新元素建议命名为joliotium 28 而这个名称也没有被接受 JINR后来认为元素102的命名是仓促的 29 这个名称是在IUPAC对元素发现优先权的裁决的书面答复中提出的 该裁决于1992年9月29日签署 29 但由于其广泛使用 nobelium 这个名称仍然保持不变 30 参考资料 编辑 Wakhle A Simenel C Hinde D J et al Simenel C Gomes P R S Hinde D J et al 编 Comparing Experimental and Theoretical Quasifission Mass Angle Distributions European Physical Journal Web of Conferences 2015 86 00061 ISSN 2100 014X doi 10 1051 epjconf 20158600061 英语 Kramer K Explainer superheavy elements Chemistry World 2016 2020 03 15 原始内容存档于2021 05 15 英语 Discovery of Elements 113 and 115 Lawrence Livermore National Laboratory 2020 03 15 原始内容存档于2015 09 11 英语 Eliav E Kaldor U Borschevsky A Electronic Structure of the Transactinide Atoms Scott R A 编 Encyclopedia of Inorganic and Bioinorganic Chemistry John Wiley amp Sons 1 16 2018 ISBN 978 1 119 95143 8 doi 10 1002 9781119951438 eibc2632 英语 Oganessian Yu Ts Dmitriev S N Yeremin A V et al Attempt to produce the isotopes of element 108 in the fusion reaction 136Xe 136Xe Physical Review C 2009 79 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