尋找穩定元素島

尋找穩定元素島
知識通訊評論第44期

長久以來，一些科學家一直在找更大的穩定元素，新的觀測結果卻顛覆了許多舊有的想法。

不穩定性之海彼端的穩定之島。

一份八月下旬出爐的新研究，可能有助於正確指出「穩定元素島」 (island of stability) 的所在。「穩定元素島」是一理論區塊，討論超越現有元素週期表但是相對穩定的極重元素。

英國利物浦大學的赫茲伯格 (Rolf-Dietmar Herzberg) 領導一個研究團隊，利用芬蘭雅歐斯基羅大學的粒子加速器，檢驗鍩元素的高能狀態；他們發表在《自然》雜誌的研究結果，可協助化學理論家限定穩定元素島的確實所在。

一九四○年代開始，科學家就藉由把原子核整個打碎，嘗試製造更重的元素，來擴增週期表。因為封包於原子核內的質子與中子，會抗拒兩個原子核的融合，這項工作因而相當艱難；即便黏固在一起，經過融合的原子核可能也無法持久，其質量愈重，放射性衰變就會愈快促使其再次崩解成較小、較穩定的原子。

物理學家宣稱已製成、而且可偵測到最多有一百一十八個質子的元素（週期表上的元素，是根據其原子核內的質子數目來做排列），不過只有一百一十一種元素經過正式認可。然而有許多數目很高的元素，在衰變前只能維持不到一秒。

元素週期表

魔術數字

不過物理學家仍然希望能找到某些能保持穩定達幾分鐘，甚至幾小時的「超重原子核」。這是因為理論模型指出，若原子核含有稱為「魔術數字」之特定數目的質子 (Z) 與中子 (N) ，就會異常穩定。

在魔術數字背後有個簡單版本理論認為，假想位於原子核內的質子與中子狀似層層洋蔥一般，填滿遞增的能量階層。不過這些洋蔥層並非均勻分佈，而是有許多層緊密聚合形成「殼層」 (shell) ，殼層之間則有相對較大的能量空隙。

「魔術數字」就是可完美地填補殼層的粒子數目；一旦某殼層被填滿，這些粒子其中之一就會產生橫跨能量空隙，跳到下一個最高階層的大跳躍。一個外殼層全滿的原子核，將會像鈍性氣體那樣異常穩定；鈍性氣體的電子數目剛好填滿電子殼層，因此特別不具有化學活性。

那些較輕的元素，其能階與魔術數字早已詳知；至於那些較高的中子魔術數字，則已有很好的理論預測。然而質子的理論預測就比較不那麼確定，因為質子的正電會造成彼此排斥，情況比較複雜些。

如果研究者能夠測量到較高殼層的確切能階，就能進一步找出魔術質子數字；然後化學理論家就能研究出應該可讓重原子核保持穩定的質子數目，換言之，就可超越現有週期表極限，正確指出傳說中的「穩定元素島」。

赫茲伯格的團隊如今已提供一些資料給化學理論家，讓他們可找出一個很高能量的能階，只有超過週期表的第一百一十四個元素才能填滿它。

俱呈激發

研究員透過研究鍩–254 （第一百零二個元素）達成此目標，這是研究員可以製造出來相對來說大數量的最重元素。他們製造出激發態的鍩–254 ，它的質子與中子會跳到比正常情況更高的能階上；然後他們仔細觀察原子釋能而回復到非激發態時的情況，由探測原子釋能所產生出來的能量，他們就可計算出原子釋能前較高殼層的確實能階。他們所能確定的最高能階，正好就會是有一百一十五個或更多質子非激發態元素所佔有的能階。

來自美國伊利諾州阿岡國家實驗室的另一研究團隊，很快也會發表類似的研究結果。

現在化學理論家需要用將這些能階納入他們的模型，去計算出更高的魔術數字。

登上海灘

但是可能有著更大的問題。近期的研究結果指出，也許根本沒有一個確切的穩定元素島。

美國諾克斯威爾市田納西州大學物理學家那扎瑞威茲 (Witold Nazarewicz) 解釋說，超級重原子核內含有個別殼層，因此也含有魔術數字的這整個概念，其實相當脆弱。化學理論家如今認為，超級重元素裡的最高能階可能全都是均勻分佈的，其間隙大小中等勻稱，因此並不存在什麼可讓殼層非常穩定的巨大能量跳躍。那扎瑞威茲表示，這麼一來有的則是一塊約略的「魔術」區域，這片半穩定的「海灘」區域，應該會在具有一百二十個到一百二十六個質子的原子之間。

諾元素殼層模型。

美國加州柏克萊市勞倫斯利渥摩國家實驗室的摩迪 (Ken Moody) 表示，化學理論家已停止這些研究工作。

即使假定有某些超級重元素在理論上更為穩定，要實際製造出這些元素也會是個巨大的挑戰。有個問題是，存在於「穩定元素島」的元素可能必定要有許多中子，而研究者要製造出富含中子的元素卻不容易：可用於核融合實驗的極輕元素，比起奇特的較重元素，原子核內的質子比例要高得多，這會導致較輕元素在原子融合時中子不足。

不管怎麼說，赫茲伯格對其研究團隊的測量結果仍感興奮。他說這就像是從穩定元素島漂來的瓶中信。