稳定岛

稳定岛（外文名：Island of stability^[1]），是核子物理中的一个理论推测，是元素周期表中一批性质稳定的超重元素，该类元素中子数约184，半衰期可达数年。^[2][3]

稳定岛理论以液滴模型、核壳层模型为基础，借助斯特鲁丁斯基壳修正构建宏观-微观模型，推得超重核幻数Z=114、N=184。该区域双幻核壳效应抬升裂变势垒、增强稳定性，半衰期大幅延长，形成超重核稳定岛。^[4]

1938年，原子核裂变现象被发现后，科研人员通过核反应调控原子核性质，人工合成26种新元素及数百种同位素。20世纪60年代，William Myers、Wladyslaw研究组与Victor Viola Jr、Glenn Seaborg研究组分别独立提出稳定岛假说。^[3]20世纪70年代，德国GSI实验室历经多年合成107至112号超重元素。20世纪90年代，俄罗斯杜布纳联合核研究所开创热熔合路线，以钙-48离子束轰击锕系靶材，先后合成113–118号元素，十余年间产出五十余种超重核。^[3]2014年5月1日发表于《物理评论快报》的相关研究由德国重离子研究中心完成，研究发现117号元素经多级衰变后可生成铹266同位素，该同位素包含103个质子与163个中子。^[5]

稳定岛指元素周期表中一批性质稳定的超重元素，该类元素中子数约184，半衰期可达数年。该名称来源于其周边元素稳定性差、半衰期短促，稳定岛元素如同岛屿分布于不稳定元素构成的区域内。超重元素亦称超铀元素，定义为原子序数大于铀的元素，该命名源于其原子质量数值较高。^[2]有研究表明，中子数178、质子数118周边的超重核区域为稳定岛理论预测的目标区间。^[6]

1938年，原子核裂变现象被发现后，科研人员通过核反应调控原子核性质，人工合成26种新元素及数百种同位素。人工改变原子核性质的研究并非近代首创，古代炼金术即以锡、铅等普通金属转化制备贵金属为核心目标，是早期物质核性质改造的探索雏形。20世纪60年代，William Myers、Wladyslaw 研究组与 Victor Viola Jr、Glenn Seaborg 研究组分别独立提出稳定岛假说：原子核质子、中子为幻数时壳层闭合稳定性提升，理论预言中子数N=184、质子数Z=114–126为稳定岛核心，该区域核素半衰期可达百万年。^[3]

稳定岛理论建立在液滴模型与核壳层模型两大基础之上，液滴模型仅能描述原子核宏观整体能量与裂变趋势，无法解释核稳定性的异常差异，而核壳层模型提出质子、中子存在幻数，满壳层原子核结合能更高、稳定性更强；针对超重核巨大库仑斥力扭曲势场、核子运动需考虑相对论效应的特点，通过斯特鲁丁斯基壳修正方法构建宏观-微观模型作为定量计算核心工具，将液滴宏观能与壳层微观修正能结合，重新推导出超重区新幻数Z=114、N=184，预言该区域球形双幻核会产生显著负壳修正能，大幅抬高自发裂变势垒、降低α衰变能，显著延长原子核半衰期，形成远离传统稳定核区的超重核稳定岛；该理论同时区分了尚未合成的球形稳定岛与已被实验证实、Z≈110、N≈162的形变稳定岩区，冷聚变、热聚变反应理论也从核反应入射道层面佐证壳效应对超重核生成与稳定性的影响，整体逻辑完整，仅不同模型对稳定岛精确范围存在小幅分歧，且稳定岛核素仅为相对稳定而非绝对稳定。^[4][注1]

核壳层模型预测稳定岛中心Z=114、N=184，相对论平均场模型给出Z=120、N=184与Z=126、N=184。其他理论均认定N=184为中子幻数。其中Z=108、N=162过渡稳定区中，现有超重核中子数未达184，未进入稳定岛核心。^[7]

20世纪70年代，重离子加速器的发展极大地促进了以产生新元素为目的的实验。德国GSI实验室历经多年，依靠该方法合成107至112号超重元素。20世纪90年年代，俄罗斯杜布纳联合核研究所开创热熔合路线，以钙-48离子束轰击锕系靶材，先后合成113–118号元素，十余年间产出五十余种超重核。截至2015年，人类合成的超重核均偏离稳定岛中心丰中子区域，尚未抵达理论预言的岛心。受限于加速器强度、靶材与探测设备，更靠近N=184的核素难以制备。^[3]

1999年6月12日，美国《科学新闻》刊载报道，劳伦斯・伯克利国家实验室维克托・宁欧团队以氪离子束持续轰击铅靶十余日，累计投放氪离子约10¹⁸个，合成3个118号元素原子；该原子迅速衰变，生成116号、114号等元素。德国重离子研究中心西古尔・霍夫曼对此成果予以正面评价，该机构随即启动重复性实验，以期扩充相关实验数据。伯克利实验室肯・格雷戈里提出研究规划：美、德、俄科研团队计划采用氪离子轰击铋靶合成119号元素；119号元素衰变可生成未被发现的117、115、113号元素，有望一次性合成四种新元素，相关实验计划于当年年底完成。该次实验测得116号、118号元素同位素存续时长分别为1.2毫秒、200微秒，该半衰期证实超重元素研究路径具备合理性，研究人员逐步接近稳定岛理论预测区域。此前俄美联合科研团队于俄罗斯杜布纳弗廖罗夫核反应实验室宣布合成114号元素，该成果被视作人类首次抵达稳定岛区域。同年7月15日，英国《自然》刊发该俄美联合团队的新发现：团队以钙-48离子束轰击钚-242靶，制得114号元素新同位素，该同位素质子数114、中子数173，半衰期约5秒。理论计算显示，中子数168对应稳定岛边缘。该同位素半衰期在超重元素中属较长水平，但短于中子数多2个的114号重同位素。^[2]

2014年5月1日发表于《物理评论快报》的相关研究由德国重离子研究中心完成，研究发现117号元素经多级衰变后可生成铹266同位素，该同位素包含103个质子与163个中子。相较于中子数更少、稳定性更低的已知铹同位素，铹266半衰期可达11小时，是目前已知寿命最长的超重同位素，该成果表明人类研究已趋近稳定岛区域。稳定岛的具体位置与实际存在性尚未得到确切证实，相关理论推测，质子幻数108、110、114与中子幻数184的核素组合可赋予原子核特殊结构与更长的存活周期。现有116号、117号、118号元素的实验数据证实，超重核素的寿命随中子数趋近184呈现增长趋势，为稳定岛理论提供了有力支撑。理论研究表明，超重幻数原子核可能存在气泡结构等特殊稳定形态，但该结构尚未被观测发现，当前相关研究已逼近该理论结构的预测区间。若稳定岛真实存在，对应超重原子核的衰变寿命将大幅提升，具备天然存在的可能性。学界推测，这类超重元素可形成于中子星合并等高能宇宙事件，是天然超重元素的潜在来源，目前尚未发现天然超重元素，但学界对稳定岛的存在与可观测性仍持积极态度。元素周期表包含92种天然元素，原子序数范围为1至92，元素种类由原子核质子数决定。原子序数大于92的元素难以在自然界稳定存在，其中原子序数104及以上的元素定义为超重元素，普遍寿命极短，现阶段所有超重元素均为人工合成产物，114号、116号元素已正式纳入元素周期表体系。^[5]

范德堡大学物理教授乔·汉密尔顿说，稳定岛的存在，这一20世纪60年代纯理论概念，为元素周期表的进一步扩展提供了可能性，伴随着最重元素物理和化学的科学突破。^[8]