德国核能科学家正在向元素周期表极限推进。随着107和108元素在80年代初期相继被制造出来以后，德国著名的重离子研究协会（GSI）研究小组又在去年晚些时候合成了110和111元素。GSI研究人员确信，他们有望在1996年再把112元素写入元素周期表。

GSI研究小组旨在想通过使锌和铅原子发生聚变来合成112元素。他们的长远打算是，还想合成出113，114，甚至115元素来。科学家们坚信，他们最终将能制造出超重元素。

据GSI核化学部物理学家安布拉斯特（Armbtuster）介绍，通过合成这些元素，我们就能对核结构产生更深层次的理解。核科学家们对超重元素114具有特殊的兴趣。他们预测，含有298原子质量的114元素同位素应处于“稳定岛”的中心位置上，它比现今已知最重元素的半衰期要长得多。

另据GSI研究小组主任，物理学家西格德 · 霍夫曼（Sigurd Hofmann）宣称，“我们正在设法找出重核稳定性的上限，这将有助于我们能更好地了解在宇宙中制造重元素的情况”。

101以前的元素均为超镄元素。这类元素均是由两个较轻元素产生核聚变后而被合成的，因此所生成的复合核很不稳定，其滞留期瞬间即逝。

101至106元素是在1955年至1974年间由美国加州的劳伦斯伯克利实验室和劳伦斯利弗莫尔国家实验室以及俄罗斯杜布纳一家专门从事核能研究的联合机构共同发现的。他们采用了一些较轻元素，并通过使其产生核聚变而制造出了这些重元素，如锕化锎（98元素）以及含有像碳和氧离子的轻粒子的锿（99元素）。这些轻粒子一般均需采用较高的能量才能将其喷射到锕靶上。

GSI科学家们在制造107至111元素时所采用的方法与美国和俄罗斯实验室制造101至106元素方式则有所不同，GSI采用的是利用低能量将中轻量元素喷射到其它中轻量元素上去的方法。

GSI所采用的方法有时被称为“冷聚变”。该法是由杜布纳试验室首先发明的，他们对几种镄元素（1008元素）和超镄同位素均做过试验。人们之所以采用“冷聚变”这一术语，那是因为复合核的激发能远比通过较轻离子对含有较高原子数量的靶子轰击时所生成的相同复合核的激发能量要低得多。

据霍夫曼介绍，聚变过程一般要分两步走。含有一个靶核的可轰击粒子首先会发生聚变，进而形成一个含激发能或温度的复合核。接下来再行冷却，并通过释放粒子，通常为中子而进入基态状态，

冷聚变法降低了晶核产生自发裂变的可能性。通过严格控制试验条件，GSI小组能够确保将激发能控制在很低的范围之内，此时则只有一个中子从晶核中被释放出来。

安布拉斯特和霍夫曼领导的研究小组成功地合成了110和111元素。该小组由6名GSI研究人员和6名分别来自他国的客座科学家所组成。

该研究小组首先在1994年11月制造出110元素的首枚原子。在两个星期的试验过程中，研究人员利用镍-62原子电子束轰击铅-208靶，制造出²⁶⁹110枚原子。在接下来的几周内所从事的相同试验中，该小组通过采用富含中子的镍-64同位素原子向铅-208靶轰击又制造出了9枚²⁷¹110同位素原子。

1994年12月8日，这个研究小组通过采用镍-64轰击粒子和1枚铋-209靶首次合成了111元素。在18天的试验中，研究人员共合成出3枚原子。这些原子的半衰期只有1.5毫秒左右，其质量为272。

霍夫曼指出，利用镍-64制造成110重同位素对于我们来说则具有非常积极的意义。其截面比用镍-62合成的要大出4倍，尽管我们目前对此增加的情况尚不完全了解，

测量截面为的是搞清某个晶核发生反应的可能性，它相当于由一个靶原子核到一个入射粒子的表面积。截面单位为靶恩，它相当于10^-24平方厘米。

从102元素上升至109元素，我们看到它们截面的对数比呈线性下降趋势，制造110和111元素所需的截面仅为3微微靶恩，一个微微靶恩为10^-12靶恩。安布拉斯特比喻说，这好比要在1平方公里的面积上刚好击中1平方毫米的既定目标一样，其可能性真可谓是微乎其微。

霍夫曼解释说，通过我们所采用的光速密度和效率，1个靶恩即意味着，我们在一周时间内平均每天制造一个原子，但从安全的角度讲，我们采用光速的时间平均比以往所利用时间要长3倍。

许多核反应截面几乎要完全依赖于入射粒子的能量，由于在晶核两侧发生聚变的可能性会迅速下降，因此该能量的频带非常窄。入射粒子此时就得提高所需速度，才能克服两撞击核所发出的聚变力或排斥静电力的库仑势垒。如果能量太小，则不会有聚变发生；若能量太大，熔核又会发生裂变。

我们试图找到最大的形成截面，以期充分发挥电子束能量的功能。我们曾对104和108元素上的电子束能量的整体分布情况进行过测定。通过这两个获得值，我们便推断出110元素电子束能量的分布情况。

GSI小组的研究人员由此计算出用于合成²⁶⁹110元素的镍-62所需的最佳电子束能量值。由于他们未找到镍-64的最佳入射粒子的能量值，因此开始时只能采用镍-62，但随后便改用了镍-64。

研究人员观察到，利用镍-64制造110元素的产出比很高，这为科学家们有可能制造出112元素，并最终合成出113和114元素带来新的希望。

在制造出了110和111元素之后，GSI研究小组的科学家们便又开始计划，通过利用锌-68和锌-70轰击铅-208靶来达到合成112元素的构想。如果制造成功，并通过推断的截面不会进一步下降，则研究人员相信，他们会有希望通过利用锗-74或76轰击铅还能制造出114元素。他们的长远目标是，要通过熔化带有一个铋-209靶的锌-70和锗-76同位素，分别达到合成113和115元素的目的。

在制造这些重元素过程中，其截面正在接近试验敏感度。据霍夫曼称，目前的试验速度已高出过去的10倍。例如，在1984年，他们在试验中仅制造出108元素的3枚原子，而如今在重复相同的试验中，研究人员则合成了75枚原子。

在开始试验制造112元素以前，研究小组人员需要对现有所建立试验程序做进一步的完善，据悉到95年底试验条件即成熟，1996年便能投入试验。

该小组目前正使用一种被称之为电子回旋加速共振仪（ECR）的装置进行光束离子的生成。据霍夫曼介绍，这种离子源能够增加稳定效果，且节省材料。这对于我们来说是十分重要的，因为我们目前均使用浓缩型同位素来用作轰击粒子，这些同位素的造价一般都十分昂贵。如果利用ECR装置，情况则大有不同，我们每小时只需要几毫克的用量。

例如，从浓缩至93.1%的金属镍中便可能生成镍-64光束。从ECR装置中引出的⁶⁴Ni⁹⁺离子被加速到可在库仑垫垒中所需的反应能量条件。GSI发明的120米长的高频重离子加速器（UNILAC）便被用来进行离子的加速。利用这台加速器，研究人员即有可能对离子的速度进行连续调节。平均速流可达到每秒3×10¹²轰击粒子。

如果想合成111元素，则要在1125 rpm旋转轮上安装8枚铋209靶。通过蒸发铋把生成的靶放置在碳垫板上，其化学纯度可达到99.99%。

达姆斯塔德（Darmstadt）小组开发了一种新技术，利用该技术能将传递与所反应产品的反冲速度通过入射粒子把新形成的核传送至探测器。经入射离子聚变后所生成的（晶）核及一个靶原子会连续沿着入射离子的原来路径以近似百分之几的速度行进，这即意味着即使低于100毫微秒的半衰期的核也能探测得到。

撞击靶的大多数轰击粒子一般都呈直线运动状态，不会发生反应，他们会被铜板束挡板吸收。一枚新元素的原子比轰击粒子要重些，因此它们的速度就会相对较低。这些处于入射中的聚变产品在长约11米的速度过滤（SHIP，用于重离子反应产品的分离器，是在70年代由德国GIESSEN大学热物理系同GSI联合开发出来的）器中利用电及磁场从轰击粒子中分离出来。

在过去5年间，科学家们对SHIP进行了本底抑制的不断改进。利用速度过滤器对反应产品进行分离取得了良好的效果。

聚变产品被先后引入由两台飞行时间探测器，一台16位列阵硅探测器和一台锗探测器组成的高级探测器系统中。三种同时发出的信号，即分别由每台飞行时间探测器发出的信号和由硅探测器发出的信号，显示着离子的植入情况。某些被植入离子在α衰变和γ射线释放后会变得十分活泼。这些射线通过锗探测器便能检测到。

随着来自这种探测器系统中信号的不断发出，研究人员就可能使被植入反应产品与其出现连续放射衰变链发生联系。每一聚变产品通过在衰变链中被释放轰击粒子的能量和同位素生存期所赋予的特征都有其自己的纹印。

110和111两元素通过一个接一个地释放出α粒子（⁴He核）后才得以衰变。GSI的科学家们便跟踪110的衰变链即能找到锘（102元素），通过跟踪111元素寻觅到铑（103元素）。长衰变链需要被赋予一个被植入反应产品。通常一个α衰变便够了。

安布拉斯特通过对两元素的成功合成也是对GSI试验设备敏感性的一次大改进。到1994年为止，他们目前所采用的设备，其敏感性比以前的竟高出12倍多。

而112元素所需的敏感度则应更强些。根据GSI推断显示，含有铅208的锌68和锌70的反应，在其合成112元素时，其截面只有1和4微微靶恩。而114元素，其含有锗74和76的轰击粒子截面分别减至0.2和0.1微微靶恩。

在此试验中，114元素成了一关键的靶。核科学家预测，它属于各类载有闭合壳层核结构元素系列中的一种。这些结构均具有完全占具质子和中子壳层的幻数。铅就属于这一系列元素中的一个。例如，同位素铅208，其稳定性非常之高，具有82个质子和126个核。两者均有幻数。

处于闭合壳层中的质子和中子具有极强的结合能。因此原子核就特别 稳定，这与那些含有整体壳层电子核的惰性气体元素的情况大致相同。排在铅以后出现的闭合壳层应该是114质子和184个中子。

霍夫曼指出，超过170中子的114元素同位素均处于稳定岛的范围之内。所有这些元素同位素本应具有相当长的半衰期。含铅208的锗76聚变后会产生带有170个中子的同位素。

安布拉斯特介绍，“我们要在核结构中利用这些同位素试验我们的构想。在现有元素周期表中超过106以上的元素之所以能够单独存在，这是由原子核中质子和中子内部量子机械排列次序所产生的附加结合能的稳定的壳效应所决定的。

他解释说，原子核既可以呈球形稳定分布，也可略微以椭圆形方式分布。114元素的原子核应该是以球形方式分布着的，可是110元素就变了形，成了椭圆形。

GSI的研究人员尚未给110和111元素起名，这并非绝对意味着合成110元素就是首次。因为有证据显示，带有267个质量的110元素的一个原子可能在1991年就已被劳伦斯伯克利试验室的研究人员通过轰击带有钴放射粒子的铋制造出来过。在1994年，美俄联合试验小组利用杜伯纳设备经对带有钚244靶原子的硫34轰击粒子进行的热聚变试验含成了110元素。据《自然》杂志报道，研究人员辨明了可归于273，00的一个衰变链，但其具体数据尚在分析当中。

据安布拉斯特指出，现在不仅存在着元素合成的问题，同时也有一个鉴别的问题。同我们试验比较，其它的试验对我们来说，即不能完全相信。只有靠专门的委员会来做最后的决断。

尽管不容置疑，GSI研究小组发现了107至109元素，但研究人员并不高兴国际纯粹化学和应用化学联合会（IUPAC）组织对他们给这些元素所起的名称进行了更改，在1992年，该小组曾将nielsborium命名为107元素，hassium命名为108元素，meithnertium命名为109元素。但IUPAC还是决定将bohrium定为107，hahnium定为108，meitnerium定为109元素。GSI研究小组称hahnium为105元素。安布拉斯特称，IUPAC不应在未曾通知我们的情况下擅自更改我们提供的元素命名。我们不应在报纸上看到有关IUPAC对我们发现的元素擅自命名的决定。

由化学家马赛厄斯 · 谢德利（Matthias Schadle）领导的一研究小组目前正在就锕系后元素（第104—120号元素）同其它一些科研机构展开联合试验。这些机构的主要负责人分别由德国美因茨大学核化学学院的詹斯 · 克拉茨（jens Kratz），瑞士菲林根区保尔 · 谢勒（Paul Scherrer）以及美国加州大学劳伦斯伯克利试验室的达利恩 · 霍夫曼负责。

研究锕系后元素的专家们目前正在调查105元素的化学性能，为的是了解该元素是怎样进住到元素周期表中的，谢勒解释说。我们现在想要知道的是，来自较轻同调的元素当中是否存在着某种巨大的差异，如在V组中的铌、钽和镤。

研究人员利用喷气法进行元素输送，每次将一个原子输送到一个阳离子交换树脂塔。他们还发明了一种专门用于在水溶液中对105元素进行快速、反复高性能液体层析分离的全自动快速化学反应仪。

谢勒称，“我们展示过类似于V组元素中所具有的元素特征。我们发现，当这类元素被溶解于稀酸中时，它们是呈五价的。另外，我们还发现了有关细节特性的巨大不同点。在浓盐酸中，这类元素能形成卤化氧化物如铌和镤及不纯的卤化物和钽。

研究小组目前正准备进行106元素的化学研究。总之，元素本身应该具有像Ⅵ组元素中所具有的那种特性，如象钼和钨，但从理论上预测显示，从细节化学性能上来看，有些元素是有着不同特性的。

[C&EN，1995年3月15日]

附：德国重离子研先会简介

德国重离子研究会（Society for Heavy-Ion Research），德文简称GSI（Gesellschaft fur Schwerionenforschung）始建于1969年德国黑森州的达姆施塔特。它是德国16家主要从事研究工作的机构之一。该研究机构的活动经费有90%是由联邦政府提供的，剩下的10%则由当地州政府资助。

GSI有终身制雇员600人。每年都有来自30多个国家的125所大学中的1000多名国外科学家和访问学者来此共享该协会的试验设施。

GSI的活动主要是从事重离子物理的研究，但对核化学和原子物理也有所涉及。据GSI科学主任汉斯 · 施佩希特称，他们的研究计划中即有基础研究也包括应用领域。就基础研究而言，约占计划项目的85%，主要从事的是核物理研究。

据施佩希特介绍，他们现从事着核结构的研究，尤其是原子核的稳定性已经成了GSI研究的主线。该协会1994年最重要的研究成果是，除合成了110和111元素外，还发现了锡-100。锡-100带有50个质子和50个中子。

因为50是一个幻数，则锡-100就具有双倍的幻核。GSI所采用试验设施还能执行相对论重离子物理试验，如对热压缩核物质的调查。

1975年，由GSI建造的一台120米长的UNILAC线性加速器投入运行。UNILAC可使重离子加速至每核产出20 meV能量。一个核子备有一个质子或一个中子。例如，镍62离子作为轰击粒子用于制造110元素时则有62个核子。

GSI曾在1990年开创了利用重离子同步加速器（SIS）与试验存贮冷却环（ESR）并用的先河。这种结合使得来自SIS的重离子束可以通过并联电子得以冷却，从而降低它的速度波动。UNILAC被用作SIS和ESR的光束喷射器。每年利用这种设备要执行100多次大型的试验，其中光束完成照射时间累计长达5000小时以上，

1993年5月，GSI提出让德国政府提供资助，旨在想创建一座重离子疗法装置，其最终的目的是想在GSI海德堡的放射科和德国癌症研究中心之间架起一座合作桥梁。一座治疗室目前正在GSI处建设中。辐射试验将在今年晚些时候开始。治疗中心拟于1996年投入使用。该装置将使用端离子，利用SIS加速，使其每枚核子的释能量达到300至500 MeV。该计划打算每年对100名患有不治之症的病人提供治疗。

根据GSI科学家们的设想，在现有肿瘤疗法中，利用带电重粒子治疗癌症将比任何其它放射疗法都有效。同电磁放射疗法比较，重离子束横向和角发散是很低的。光束能在虚拟直线上运行，且还可停靠在特定的穿透深度位置。更重要的是，通过对患者释放正电子层析X射线能将所选择重离子剂量投射到肿瘤的内部。

类似于电视摄像管中的电子末，离子束能一行一行地对肿瘤的大小进行扫描。利用该项技术可使所观测到三维成像图的清晰程度达到厘米精度。