[简介]本文作者是元素108主要发现者之一，对重离子裂变和物理学有较深的造诣。全文比较详细地简介了发现元素108的经过，并提出了一些独到的有价值的见解。

五十年来，自从伊伦 · 约里奥 - 居里夫妇首次合成人工放射性同位素（磷₃₀）以后，科学家们已发现1900种放射性同位素，并产生了17种超铀元素。元素108乃是这一家族的最新产物，1984年3月22日，我在巴黎召开的第十五届人工放射性年会上宣告了它的诞生。在我的指导下，由十二名物理学家组成的研究小组，在达姆施塔特重离子实验室人工产生了元素108的三个原子，并通过了重离子研究协会（GSI）的鉴定。

仅就这些原子核的寿命比通常预料的长得多而言，这一发现也能令人惊叹不已。这项发现还给元素107和109的发现投下了灿烂的回光，这两种元素是我们于1981年和1982年相继合成的。元素108的发现使我们对元素周期表的末位元素，以及那些难以捉摸的‘超重’元素有了一些了解。自1966年以来，超重元素一直是纸面述语，科学家们迄今仍没观察到这种元素。

周期表如何了终？

任何元素，无论是天然的或人造的，首先是以其原子序数Z为标记，原子序数相应于其原子核中所含的质子数。某一给定元素的各种同位数是以其中子数为标记。譬如，铀的原子序数Z=92，因此铀的原子核含有92个质子，然后分别加上146、143个中子即为铀的同位素238和235。任何元素的核子之间都存在两种相反的力，第一种是作用于带电质子之间的库仑力，其效用是通过质子相互碰撞使原子核变位；第二种是强核相互作用力，这是一种作用于核子（无论是质子或中子）之间的最强的引力。虽然强相互作用力的作用范围极其微弱，约为10^-6米（一个核子的尺寸），但它那巨大的强度足以保证原子核的内聚力。其次，在原子核的放射性衰变中还存在第三种所谓的弱相互作用力，但它的作用范围非常有限，其强度大大地阻碍了它对放射性现象的作用。目前，科学家们虽对上述诸力有了相当深入的了解，但这些力在原子核中共同作用的精确的机理却相当复杂，在某些方面至今难以预测。

在原子核中，任何相互作用的核子都形成一个独立而复杂的量子系统。这个系统可能不稳定，而且往往自发地向其他更为稳定的能量状态演变。为此，其演变方式不外乎有三种：α衰变，β衰变，自发核裂变（SF）。α衰变是由两个质子和两个中子组成的α粒子（一种氦核）的衰变。β衰变是受中子的弱相互作用力作用，随着电子和中子的同步放射中子转变为质子的过程（反之亦然）。在自发核裂变过程中，原子核被分裂成两块大小相当的碎片。

上述诸衰变的作用，特别以铀的自发裂变最为典型。这也是超铀元素过去或现在都不曾自然产生的原因所在。另一方面，利用较轻的原子核之间的核裂变反应可以人工产生这些元素。然而，不可避免的问题是周期表如何了终。换言之，除此之外原子核不可能存在吗？抑或存在也只不过是转瞬即失吗？这是一个重要的理论问题，总之，精确地阐明这一问题将有助于我们进一步了解地球和宇宙中物质的稳定性。

直到1974年，产生超铀元素最有效的方法仍是用中子束或极轻的元素（Z≤β）轰击最重的元素的靶子。在伯克利，分别由G. Seaborg和Dubna、A. Ghiorso和G. Flerov领导的研究小组曾用这种方法一步一步地合成了许多元素（Z≤106）。在达姆斯塔特，由于我们没有足够的超铀同位素构造靶子，我们采用了一种与众不同的‘冷却裂变’工艺，它是由苏联物理学家Y. Oganesyan和A. Demin发现的。这种方法是利用诸如铝（Z=82）或铋（Z=83）这样一些轻而稳定的元素作为靶子。在这种情况下、靶元素和轰击粒子发生裂变反应产生的合成原子核，就可能在最低的激发能状态下（即具有相当低的‘温度’下）被制成。

达姆斯塔特的三部曲

Unilac重离子加速器为我们利用冷却裂变成功地合成超铀同位素（从Z=100到Z=109）立下了汗马功劳。这台加速器是由许曼谌（C. Schmelzer）设计的，1970 ~ 1975年投建于达姆斯塔特。在产生实验所需的高强度重离子束的过程中，Unilac无疑是我们取得成功的柱石。例如，为了产生元素108，我们曾用铁58的离子束直接轰击铅208的靶子，铁和铅发生裂变反应产生的合成原子核乃是元素108的同位素266。这个原子核的产生并非处于基态，而是处于激发态。通过辐射中心，这个原子核被冷却并转变为同位素265。这一冷却过程的时域约为10^-7秒，以不妨碍观察合成原子核的雏形为宜。另一方面，残余原子核（同位素265）的寿命足以使我们获得其存在的直接证据。

从射束轰击粒子中分离出残余核子是一项颇为精细的操作。譬如，十天内产生的仅有一点有用的原子，还必须从大约6×10¹⁷个轰击粒子中将它们分离出来。而且，这些原子和轰击粒子均作同向运动，只逼其速度各异。六十年代期间，在吉森工作的爱魏特（H. Ewald）和在于利希工作的我曾提出用飞行分离法解决这类问题。这项早期的工作为研制具有显著效益的滤速器奠定了基础，米森培（G. Münzenberg）担任‘SHIP’（重离子反应物分离器）的技术设计，自Unilac启动后SHIP很快就投入了运行。这台滤速器总长米，能保证分离轰击粒子和残余原子核，主要使用一系列磁铁和多普勒电场（图略）。它具有分离10¹²个粒子的能力，效率为百分之二十。

因此，我们把滤速器中残留的原子核移植到构成实验三部曲的三个原子的链接点上。这些探测器是一些能捕获原子核的适当厚度（0.3毫米）的硅晶片。由于α衰变或自发裂变的结果，在最初植入的原子核以及任何第二代原子核诞生的链接点上，原子核的能量、位置和行程时间等参数的测量效率可达百分之百。因此，某一衰变链的全部参数均可记录下来，例如，四次连续α衰变共计十五个参数（能量 - 时间 - 位置各五个）。借助于Unilac和滤速器‘SHIP’，我们在1982年产生了元素109的一个原子和在1984年产生了元素108的三个原子，从而观察到这种极其罕见的元素。图1是经过一致同意和验证的衰变链示意图。我们观察到的全部同位素的寿命为10^-3 ~ 10秒，比我们用老式分离法得到的粒子寿命（10^-6秒）长得多。事实上，在射束的影响下，由于粒子被加热，实验的主要障碍取决于铅靶和铋靶。

去向超重元素吗？

在达姆斯塔特，我们观察到元素107和109的同位素262和266在它们的基态并没经历裂变反应，而主要经历了α放射性引起的衰变。乍看起来，不足为奇，因为这种奇 - 奇同位素（质子和中子均为奇数）对于自发裂变具有较大的稳定性。另一方面，更为惊奇的是发现元素108并非因自发裂变发生衰变，而是因α放射发生衰变。并且，其寿命至少比过去根据元素104简单推论所得的预测值长一千倍。

这一事实可能为另一项令人惊奇的结果孕育了契机，其实，我们发现元素108前不久便在实验中获得了这一结果。在这项实验中，产生了元素106的同位素259、260和261。当Z＞104时，只有同位素206具有偶 - 偶原子核，因而具有特殊的作用，它与其他偶 - 偶原子核一样在自发裂变过程中的寿命可以计算。但是，反悖于所有理论预测的事实是，我们在实验中（图2）测得这一同位素的寿命与近邻元素104的同位素的寿命一样长（8毫秒）。同位素衰变并非由于裂变反应所致，而主要是因α放射引起的。因此我们在这里所说的元素108的原子核具有显著的稳定性。然而，这种稳定性从何而来呢？

两个能源为键合原子核提供能量。第一个是类似于键合某一带电液滴的能量，是一个宏观的可以计算的能源。第二个是量子源，它衍源于原子核中每个核子的能量，其运动状态不呈随机分布，但在连续壳层中核子的分布却遵循量子力学定律。所有壳层中的原子核均依次接受额外的键合能。令人振奋的是，我们发现在稀有气体原子的电子中也有类似的现象。壳层效应总计不到原子核总键合能量的百分之一，但这可能是使某些原子核稳定或不稳定的关键。据推测，对于一小群相应于质子数Z=114的满壳层和中子数N=184的满壳层的原子核，这一微不足道的壳层效应足够提供稳定性。这些就是所谓‘超重’的假设稳定的原子核。迄今，任何有关发现这些现象的研究都不足以立论。但是，在元素106、108中观察到的明显的稳定效应，或许可以根据超重现象的雏形得以恰当的解释。

其实，这种明显的稳定性不是所想象的超重元素（Z=114和N=184）的唯一特性。超重元素的原子核与超铀元素106 ~ 109的原子核也不尽相同，前者原子核波函数的分布呈极强的对称性，而后者的对称度却不太明显。超重元素原子核的分布多半呈一个超重的非常完整的圆形，而我们在达姆斯塔特观察到超铀元素同位素的原子核的分布大多呈‘椭圆’形，即形似于橄榄球形或香肠状形。但是，当强大的激发能传递给圆形原子核时，由于原子核并非始终处于那种所期望的被激发态，而通常处于基态对称性被破坏的状态，因此壳层效应给原子核带来的稳定性已不复存在。另一方面，甚至当某次强大的激发能传递给原子核时，椭圆形原子核的对称性似乎仍不太明显，这种现象或许能够解释可以产生和观察到这种原子核的原因。换言之，这些椭圆形的变形原子核看来比圆形的超重原子核更能承受其雏形诞生时面临的激波，因为后者精美的对称性极易被破坏。上述结论是我们根据广泛地研究得出的裂变机理。也就是说，自发裂变产生的稳定的壳层效应确实存在，但只有在位于铅208（Z=82，N=126）和超重的298（Z=114，N=184）之间变形的原子核中才能观察到这种现象。如果这一假说确凿无误，则将证明元素合成过程的动态因素优势于原子核的静态特性。我们的实验为获取超重元素展示了一条道路，剩下的问题就看是否可行。

[Endeavour，New Series，1985年9卷2期］