核素图

核物理学元素图表

在从事核物理学研究时，用原子序数（Z）作横坐标，原子核中的中子数（N）作纵坐标，制作的一张图表。

历史概况

往往和核工业有关的、拥有许多雇员的复杂机构，也制作一些类似的图表，指挥核舰队的将军们在拍摄他们的肖像时，常常喜欢把这种核数据图表放在身后当作背景。最近出版的(1979年)原子核数据，塞满了超过1500页的一本书，就象是本电话号码薄。对专家来说，研究这些图表是项有趣的消遣，也是获得新思想的有效途径。把观察到的材料累积起来，可以发现过去不知道的一些规则，因而能建立非常详尽的、具有惊人的预言能力的核模型。最成功的核模型之一是壳层模型。它是原子轨道模型在原子核中的推广。壳层模型是一个老的而又很自然的观点，它的出现要追溯到30年代，但当时它在原理和实际应用方面都遇到了困难。首先，不清楚轨道为什么能在原子核内存在，因为当时都认为核子间碰撞会中断所有的周期性运动。不过核子碰撞是不会发生的，因为，终态被占据时，泡利的不相容原理不允许发生这类碰撞。

此外，在战后，积累的实验数据清楚地表明，壳层是存在的。可以成功地给轨道分配能级和量子数。而且还出现了“幻数”，幻数表明了壳的填充情况，就象化学周期表中那样，出现惰性气体时，就表明壳已填满了。原子核的幻数为2，8，20，28，50，82，126，若原子核内质子或中子数为幻数时，则显出特别稳定的结构。

玛丽亚-迈厄(Maria Mayer，1906——1972)在芝加哥(图13．4)详细地研究了一种壳层模型，但这种模型得出的幻数是错误的。她说她曾向费米谈起这个问题，而费米却问她：“你有没有把核子的自旋—轨道耦合包括进去？”她马上回答说：“没有，因为这会把所有东西都固定死的。”情况确是如此。

图13.4 玛丽亚-迈厄在芝加哥研究原子核图表。这种系统的研究，使她创建了原子核的壳层模型。这个模型类似于玻尔的原子模型，能解释许多原子核的规律性。

在遭受战争破坏的德国，H．D．延森，P．哈克塞尔(P Haxel)和H．休斯(H．Suess)也在独立地进行和迈厄所做的相类似的研究。这个休斯和我们在42页上提到的休斯属同一家族，按照家庭的传统，他也成了一个地质学家，当时正在研究元素的丰度，他对某些幻数所表现出的特殊稳定性很有兴趣，并就这个问题与他的一些搞物理学的朋友进行了探讨。最后他们得出了和迈耶相同的结论。

虽然壳层模型对核子数接近幻数的原子核是很适用的，但对有一半是空壳的原子核却不能适用。在壳层模型形成后不久，有几位物理学家针对一半是空壳这种情况提出了相应的模型。

奥格-玻尔和B.莫特尔森(B．Mottelson)发展了哥伦比亚大学的詹姆士-雷恩沃特(James Rainwater)原来的思想，认为所有的原子核在作集体运动，在这个运动中，核物质的行为或多或少象是种液体。奥格-玻尔是尼尔斯-玻尔的儿子，他曾作为一个年轻的物理学家，陪他父亲到洛斯阿拉莫斯去。壳层模型和集体模型代表的是两种极端的情况。在实际情况中，两种行为彼此共存并相互影响。这两种模型结合得非常好，解释了包括所有原子核在内的许多事实。

2024年2月19日，记者从中国科学院近代物理研究所获悉，该所与合作单位的科研人员首次合成了新核素锇-160、钨-156。相关成果近日发表在《物理评论快报》上，并被美国物理学会的Physics杂志在线报道。

历史意义

第一批超铀元素镎和钚的发现，有着深远的意义，包括我们在第十章中已看到的那些实际影响。但是，事情并未到此为止，出现了许多原子序数不断增加的元素。制备的方法总是相同的：中子加到原子核内，然后经β衰变，使中子转变成质子。例如，在核反应堆中辐照Pu239，俘获中子形成Pu240和Pu242，它们又通过β衰变转变成质量数为241和243的镅的同位素，其原子序数均为95。再用中子轰击元素95，然后再进行β衰变，就得到了元素96(锔)，等等。要产生新的超铀元素时，用非常强的中子源，甚至象原子弹这样的中子源，是非常有利的。人们在原子弹爆炸的废墟中，已经发现了一些新的元素。但是，并不能无限制地这样进行下去，因为中间同位素的平均寿命太短了，而且在和我们所希望的反应进行的竞争中，其它的反应会变得更加有利了。

在增加原子序数的竞赛中，中子添加法终于不再能取得效益，物理学家们然后又转而采用重离子轰击方法。例如，用O16，作为入射粒子，一次可以添加八个质子，但这要用特殊的加速器才行，而且产额很低，最后通过测量α粒子辐射和自发裂变来一个—个地观察原子的。就这样，已经形成了元素95(镅)、96(锔)、97(锫)、98(锎)、99(锿)、100(镄)、101(钔)、l02(锘)、103(铹)。从元素锕开始的十四个元素，形成一个新的稀土族，这可从它们的一些命名中看出来，所以镅是稀土元素铕的同族元素。所有的超铀元素都是不稳定的，或是发出α或β辐射，或是自发裂变。伯克利的一些科学家小组，已经用中子轰击或重离子轰击制备了许多超铀元素，这些科学家中有G．T．西博格，A．吉奥素(A．Ghiorso)，S稧．汤普森(S．G．Thompson)和R.A．詹姆士(R．A．James)。最近，在弗列罗夫(Г．H．ФπерОВ)的领导下，苏联的科学家们发展了他们自己的技术，在获得更高原子序数的竞赛中，最后已拿到了原子序数为105和106的元素。

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