天王星是1781年由德國(guó)著名天文學(xué)家赫歇耳發(fā)現(xiàn)的，它繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道稍微有些反常。天文學(xué)家斷定：在天王星軌道外面，一定還有某顆末被發(fā)現(xiàn)的行星在對(duì)天王星施加引力。年輕的英國(guó)天文學(xué)家亞當(dāng)斯和法國(guó)天文學(xué)家勒維耶根據(jù)牛頓萬(wàn)有引力定律，各自獨(dú)立地計(jì)算出了這顆假想行星的位置。

　　1846年，德國(guó)天文學(xué)家加勒將望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)寶瓶星座內(nèi)勒維耶所指的那一點(diǎn)，果然發(fā)現(xiàn)了一顆新行星，它被命名為海王星。海王星的發(fā)現(xiàn)轟動(dòng)一時(shí)，是天文學(xué)史上的一個(gè)奇跡，至今令人贊嘆。

　　但是，在化學(xué)元素中的“天王星”—鈾的后面，還有更重的元素存在嗎？自從門(mén)捷列夫確定了鈾的最重元素地位以后，人們就開(kāi)始提出這個(gè)問(wèn)題。經(jīng)過(guò)許多科學(xué)家的長(zhǎng)期努力，終于證明鈾后面確實(shí)存在著更重的元素。不過(guò)，化學(xué)元素中的“海王星”的發(fā)現(xiàn)，要比行星中的海王星的發(fā)現(xiàn)困難得多，也遲得多。

　　從發(fā)現(xiàn)天王星到發(fā)現(xiàn)海王星，前后經(jīng)歷了六十多年，而從發(fā)現(xiàn)鈾(原意天王星)到發(fā)現(xiàn)镎(原意海王星)，前后卻經(jīng)歷了一百五十多年。

　　在自然界探索超鈾元素的工作很早就開(kāi)始了。人們?cè)�先認(rèn)為，92號(hào)元素鈾與鉻同族，所以推測(cè)93號(hào)元素應(yīng)與錳同族，性質(zhì)上更類(lèi)似于錸。因此1925年就曾有人在商品錳和軟錳礦中探索93號(hào)元素，但未獲成功。

　　1934年，捷克化學(xué)家科布立克從瀝青鈾礦中分離出一種“錸的類(lèi)似物”。重量分析測(cè)得其“原子量”為240，因此他認(rèn)定這就是93號(hào)元素并進(jìn)行了命名，聲稱(chēng)瀝青鈾礦中含此元素達(dá)1％�？撇剂⒖税褬悠芳慕o當(dāng)時(shí)公認(rèn)的稀土元素分析方面的權(quán)威、元素錸的發(fā)現(xiàn)者諾達(dá)克夫婦，以便作最后的鑒定。但是諾達(dá)克夫婦鑒定結(jié)果表明，這種物質(zhì)根本不是什么93號(hào)元素或其它未知的新元素，而實(shí)際上只是一種存在于礦石中的鎢、釩和銀的復(fù)雜混合物。

　　在探索未知事物的過(guò)程中，探索者的伴侶常常是失敗而不是成功。但是暫時(shí)的挫折從未能動(dòng)搖探索者前進(jìn)的決心。

　　此起彼伏，年輕的意大利學(xué)者費(fèi)米在羅馬開(kāi)辟了一條新的道路，用中子轟擊鈾的方法來(lái)合成超鈾元素。如前所述，費(fèi)米的工作導(dǎo)致了鈾核裂變這一重要現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。雖然費(fèi)米、伊倫，居里和哈思等沒(méi)有能發(fā)現(xiàn)真正的超鈾元素，然而鈾核的裂變并不排斥存在超鈾元素的可能性。以后的工作證明，費(fèi)米的道路確實(shí)是一條通向發(fā)現(xiàn)超鈾元素的成功的道路。

　　1938年底發(fā)現(xiàn)核裂變現(xiàn)象后，人們的注意力都集中在裂變現(xiàn)象的研究上，而把超鈾元素的問(wèn)題擱在一旁了。裂變現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)前，費(fèi)米等把裂變產(chǎn)物誤當(dāng)成超鈾元素，而這時(shí)又有個(gè)別科學(xué)家犯了相反的錯(cuò)誤，把真正的超鈾元素誤當(dāng)成裂變產(chǎn)物，放過(guò)了作出重大發(fā)現(xiàn)的機(jī)會(huì)�？墒牵�美國(guó)科學(xué)家麥克米倫在核裂變的狂熱中保持了冷靜的頭腦，終于完成了費(fèi)米等未竟的事業(yè)。

　　當(dāng)時(shí)(1939年裂變現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)后不久)，麥克米倫正是采用中子轟擊鈾薄片的方法，來(lái)研究裂變產(chǎn)物的射程。他注意到，大部分裂變產(chǎn)物從薄片上反沖出來(lái)，但是半衰期為23分鐘和2.3天的兩種放射性物質(zhì)留在薄片內(nèi)。

　　這23分鐘的放射性物質(zhì)已經(jīng)知道是鈾239，它是由鈾238俘獲一個(gè)中子生成的。但這2.3天的放射性物質(zhì)是未知的，它究竟是什么呢？若是裂變產(chǎn)物，它就應(yīng)從薄片中反沖出來(lái)，它不反沖，就說(shuō)明它可能也是簡(jiǎn)單中子俘獲過(guò)程的一個(gè)產(chǎn)物。換句話(huà)說(shuō)，麥克米倫推測(cè)它有可能是一個(gè)超鈾元素。1940年的春天，他與艾貝爾森合作，用化學(xué)的方法證實(shí)，這種半衰期為2.3天的放射性物質(zhì)，確是一種新元素—93號(hào)元素的一個(gè)同位素。

　　就這樣，超鈾元素的探索導(dǎo)致了裂變現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)；而裂變現(xiàn)象的進(jìn)一步研究，卻又導(dǎo)致了超鈾元素的真正發(fā)現(xiàn)。鑒于鈾的名稱(chēng)由天王星而來(lái)，按照太陽(yáng)系行星的次序，下一個(gè)便是海王星，于是麥克米倫和艾貝爾森把93號(hào)新元素命名為镎(原意海王星，元素符號(hào)Np)。

　　镎的發(fā)現(xiàn)，終于動(dòng)搖了鈾的最重元素的地位，開(kāi)辟了超鈾元素這一全新的領(lǐng)域。

　　麥克米倫和艾貝爾森當(dāng)時(shí)制得的镎同位素是镎239�，F(xiàn)在知道，镎239是β放射體，它衰變?yōu)?4號(hào)元素的一個(gè)同位素钚239(它就是我們前面介紹過(guò)的一種重要的裂變物質(zhì))。

　　钚239仿佛已是垂手可得的了，但當(dāng)時(shí)麥克米倫和艾貝爾森只是考慮了這種可能性，由于钚239放射性較弱，未能把它鑒定出來(lái)。同年，西博格和麥克米倫等在用氘核轟擊鈾時(shí)發(fā)現(xiàn)了钚。

　　在镎和钚發(fā)現(xiàn)后，又用人工核反應(yīng)的方法制取了95號(hào)元素镅(Am)、96號(hào)元素鋦(Cm)、97號(hào)元素锫(Bk)和98號(hào)元素锎(Cf)。在氫彈爆炸的產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)了99號(hào)元素锿(Es)和100號(hào)元素鐨(Fm)。后來(lái)又用重離子反應(yīng)陸續(xù)合成了101號(hào)元素鍆(Md)、102號(hào)元素鍩(No)、103號(hào)元素銠(Lr)以及104～107號(hào)元素。

　　蘇、美兩國(guó)科學(xué)家，都認(rèn)為自己是104號(hào)和105號(hào)元素的發(fā)現(xiàn)者，按照國(guó)際慣例，新元素的發(fā)現(xiàn)者對(duì)新元素有命名權(quán)，這樣就使這兩個(gè)元素目前各有兩個(gè)名稱(chēng)。蘇聯(lián)科學(xué)家用104號(hào)元素紀(jì)念蘇聯(lián)核物理學(xué)家?guī)鞝柷⊥蟹�，美�?guó)科學(xué)家則用它紀(jì)念核物理學(xué)的奠基者盧瑟福；美國(guó)科學(xué)家用105號(hào)元素紀(jì)念核裂變現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)者哈恩，而蘇聯(lián)科學(xué)家用它紀(jì)念原子物理學(xué)的奠基者玻爾。

　　這種情況的出現(xiàn)，不但反映了蘇、美兩國(guó)科學(xué)家在超鈾元素領(lǐng)域內(nèi)的激烈爭(zhēng)奪，而且說(shuō)明了合成和鑒定這些元素決不是一件容易的事。就拿101號(hào)元素鍆來(lái)說(shuō)吧。在1955年發(fā)現(xiàn)這個(gè)元素的實(shí)驗(yàn)中，美國(guó)科學(xué)家吉奧索等全力以赴，背水一戰(zhàn)，把他們當(dāng)時(shí)所擁有的大約十億個(gè)锿253原子全部用來(lái)作為靶子，并用強(qiáng)大的α粒子流進(jìn)行轟擊。即便是這樣，一次轟擊時(shí)間為三小時(shí)的實(shí)驗(yàn)，估計(jì)也只能產(chǎn)生一個(gè)101號(hào)元素的原子。他們?cè)陬^八次實(shí)驗(yàn)中，確實(shí)總共只不過(guò)得到了十七個(gè)101號(hào)元素的原子。地球誕生以來(lái)的幾十億年中，地球上大概從來(lái)沒(méi)有一種物質(zhì)，曾以這么微小的量存在過(guò)吧！

　　由此可知，鑒定和研究這些元素是多么困難，這往往是在一次實(shí)驗(yàn)中得到一個(gè)或幾個(gè)原子的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。要進(jìn)行研究，在實(shí)驗(yàn)中起碼要得到一個(gè)原子，但并非所有實(shí)驗(yàn)每次都能產(chǎn)生一個(gè)原子的！

　　超鈾元素在它們被發(fā)現(xiàn)后不久，就找到了極為重要的用途。正象我們已知道的，钚239是一種極為重要的裂變物質(zhì)，可以用作核反應(yīng)堆的燃料和原子彈的裝藥。另外還有幾種超鈾同位素如鋦245、镅242(同核異能態(tài))等也是裂變物質(zhì)，而且它們的臨界質(zhì)量很小，如镅242(同核異能態(tài))的臨界質(zhì)量就只有23克，因此可以用來(lái)制造具有特殊用途的超小型反應(yīng)堆和原子彈。有人猜測(cè)，所謂的中子彈有可能是用這類(lèi)超小型原子彈引爆的小型氫彈。

　　超鈾元素的另一個(gè)重要用途是作為輻射能源，制造核電池。其中钚238制造的核電池已在地面、水下、太空和醫(yī)學(xué)等許多方面得到了應(yīng)用。例如美國(guó)“阿波羅”登月飛船的宇航員，曾先后把五個(gè)钚238制造的核電池安放在月球上，為月面科學(xué)試驗(yàn)站提供動(dòng)力。這種核電池輸出功率為70瓦左右，重不到20公斤，能在月面惡劣的環(huán)境中正常工作，使用壽命一年以上。又如以钚238為能源的心臟起博器，已在1970年首次植入人體，獲得成功，現(xiàn)正在逐步推廣。

　　超鈾元素都是放射性的，許多超鈾同位素都是性能優(yōu)良的輻射源。例如镅241作為低能γ源，可用來(lái)進(jìn)行X熒光分析；作為α源可用來(lái)創(chuàng)造火災(zāi)報(bào)警器、避雷器等；還可用來(lái)制造用途廣泛的中子源。又如锎252，它自發(fā)裂變時(shí)放出大量的中子，是一種理想的中子源�？梢灾瞥擅棵霂讉�(gè)中子到每秒一百萬(wàn)億個(gè)中子的不同強(qiáng)度的中子源。高強(qiáng)度的锎252中子源，在強(qiáng)度上可以與小型反應(yīng)堆相匹敵，而且結(jié)構(gòu)緊湊，便于攜帶。

　　從以上列舉的幾個(gè)簡(jiǎn)單例子，我們就可以看到，超鈾元素的用途是多么重要、多么廣泛，比起鈾來(lái)，真可謂青出于藍(lán)而勝于藍(lán)了。

　　超鈾元素的人工合成，使人們掌握了超鈾元素的性質(zhì)，從而給探索自然界超鈾元素的工作指明了方向。

　　1942年，西博格等第一次確證了钚在自然界的存在。他們用共沉淀法和氧化—還原循環(huán)，從400克瀝青鈾礦中分離出了微量的钚239，并用放射化學(xué)法作了特征性鑒定。

　　按照钚239的半衰期(約24,000年)，原始的钚239是不可能在地球上存在的，它們?cè)缫选八澜^”了。這就怪了，它們是從哪兒來(lái)的呢？原來(lái)，地球上天然放射性物質(zhì)放出的α粒子，與輕元素發(fā)生核反應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生中子；宇宙射線(xiàn)中也有一些中子射到地球上來(lái)；鈾和釷等很重的重元素發(fā)生自發(fā)裂變，也會(huì)放出一些中子�？傊�，地球上存在天然的中子源，這種中子與鈾238作用，就會(huì)象在反應(yīng)堆中那樣，生成钚239。鈾礦中的钚239就是以這種方式產(chǎn)生的，它的含量十分微小，一般只為鈾的千億～萬(wàn)億分之一。

　　由于钚239是由鈾238俘獲中子而生成的，顯然，也就說(shuō)明镎239在自然界的存在，只是其含量比钚239還要低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。而存在量較大一些的是镎237(半衰期為214萬(wàn)年)，它是由鈾238與快中子反應(yīng)生成的。有人曾鑒定出，在某瀝青鈾礦中，镎237的含量約為鈾的一萬(wàn)八千億分之一。

　　上述的钚和镎的同位素，都是由天然核反應(yīng)產(chǎn)生的(估計(jì)由天然核反應(yīng)可能生成直至100號(hào)元素鐨的一系列元素)，或許可以說(shuō)它們不能算是真正的天然元素。但是有些超鈾同位素卻由于本身的半衰期相當(dāng)長(zhǎng)，而至今在地球上仍有微量存在。

　　钚244就是一例。钚244的半衰期為八千萬(wàn)年，約等于地球年齡的六十分之一，也就是說(shuō)，從地球形成到現(xiàn)在，钚244的量已經(jīng)減少了約2^60倍。而2^60與10^20。相接近，所以也可以說(shuō)钚244的量減少了10^20倍。可見(jiàn)，目前地球上即使能找到钚244，其量也已經(jīng)是微乎其微的了。

　　1971年，美國(guó)一個(gè)研究小組從約85公斤的氟碳鈰鑭礦中，分離出了極少量的钚244。他們先用萃取法純化，得到9升原始溶液，再以钚236和钚242作示蹤劑，用萃取法和離子交換法濃集钚244。钚244的量用質(zhì)譜法測(cè)得為兩千萬(wàn)個(gè)原子，相當(dāng)于每噸氟碳鈰鑭礦約含一萬(wàn)億分之一克。由于钚244的發(fā)現(xiàn)，就完全有理由認(rèn)為钚是天然元素了。

　　另一個(gè)有可能獨(dú)立地存在于地球上的超鈾同位素是鋦247。它的半衰期約為兩億五千萬(wàn)年。曾有人報(bào)道過(guò)，在較年輕的、鈾235相對(duì)富集的礦物中，發(fā)現(xiàn)有鋦247的痕跡，還發(fā)現(xiàn)有其衰變產(chǎn)物镅243和钚239的痕跡。

　　從以上敘述可以看到，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，既動(dòng)搖了鈾的最重元素的地位，也動(dòng)搖了鈾的最重天然元素的地位。但是至少?gòu)奶��?yáng)系的范圍而言，天然超鈾元素的存在量是很微小的，能大量得到的天然元素仍數(shù)鈾最重，至少目前還看不出提取比鈾還重的天然元素會(huì)有什么實(shí)際價(jià)值。向元素周期表后面的發(fā)展，將依然是以鈾為基礎(chǔ)的。因此，稱(chēng)鈾為最重的天然元素仍不失其合理性。

　　如果考察一下超鈾元素的半衰期，我們就會(huì)看到，隨著原子序數(shù)的增加，半衰期急劇地變短。據(jù)此推算，到了110號(hào)元素，其半衰期為十萬(wàn)分之一秒；到115號(hào)元素，半衰期就只有百億分之一秒了。按照這種趨勢(shì)，可能合成的新超鈾元素的數(shù)目顯然是已經(jīng)屈指可數(shù)了，充其量不過(guò)十個(gè)左右。

　　看來(lái)，元素周期表很快就要到盡頭了。但是，“山窮水盡疑無(wú)路，柳暗花明又一村”，根據(jù)現(xiàn)代核物理理論的推測(cè)，超鈾元素的半衰期隨著原子序數(shù)的增加而急劇下降以后，還有回升的可能性。即預(yù)測(cè)超鈾元素的后面還存在一批很重的所謂“超重元素”，其半衰期可能為千百年，甚至長(zhǎng)達(dá)幾千萬(wàn)年、幾十億年。

　　超重元素的可能存在，主要是根據(jù)核結(jié)構(gòu)的殼層模型推測(cè)的。我們先看一看原子結(jié)構(gòu)的情況。在原子中隨著核外電子一個(gè)殼層一個(gè)殼層的填充，元素的化學(xué)性質(zhì)發(fā)生周期性的變化，形成了元素周期表中一個(gè)一個(gè)的周期。每個(gè)周期的結(jié)束元素，即惰性氣體，具有滿(mǎn)殼層的電子結(jié)構(gòu)，核外電子數(shù)分別是2、10、18、36、54和86。它們顯得特別穩(wěn)定，一般不與其它元素起化學(xué)反應(yīng)。

　　在原子核的結(jié)構(gòu)方面，也有類(lèi)似的情況。原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)每增加到一定的數(shù)目時(shí)，就構(gòu)成一個(gè)滿(mǎn)殼層。具有滿(mǎn)殼層的原子核特別穩(wěn)定。滿(mǎn)殼層的質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)稱(chēng)為殼層數(shù)或幻數(shù)。已知的質(zhì)子和中子幻數(shù)是2、8、20、28、50和82，對(duì)于中子，126也是幻數(shù)。當(dāng)原子核內(nèi)質(zhì)子數(shù)相中子數(shù)都是幻數(shù)時(shí)，則核就顯得更為穩(wěn)定，這種原子核稱(chēng)為雙幻核。例如，氧16(由8個(gè)質(zhì)子和8個(gè)中子組成)就是一個(gè)雙幻核，它特別穩(wěn)定，是地球上存在量最大的一個(gè)同位素。又如鉛208(由82個(gè)質(zhì)子和126個(gè)中子組成)也是一個(gè)雙幻核，它是最重的一個(gè)穩(wěn)定同位素。

　　計(jì)算結(jié)果表明，下一個(gè)質(zhì)子幻數(shù)為114，中子幻數(shù)為184，因此原子序數(shù)(即質(zhì)子數(shù))為114、質(zhì)量數(shù)(即質(zhì)子數(shù)加中子數(shù))為298的原子核是一個(gè)雙幻核。這個(gè)雙幻核應(yīng)該具有特殊的穩(wěn)定性。而推測(cè)圍繞著這個(gè)雙幻核，在原子序數(shù)為108～126、中子數(shù)為176～196區(qū)域內(nèi)，可能存在一批比較穩(wěn)定的超重核。這一區(qū)域通常形象地稱(chēng)為超重元素“穩(wěn)定島”。

　　我們可以想象，所有已知元素的同位素構(gòu)成了一個(gè)穩(wěn)定性半島，山峰和山脊表示更高的穩(wěn)定性。過(guò)了穩(wěn)定性半島，就是不穩(wěn)定性海洋(即原子核壽命極短或根本不可能存在原子核的區(qū)域)，海中有一個(gè)孤島，即所謂超重元素穩(wěn)定島，它表示存在一些相當(dāng)穩(wěn)定的超重核。

　　據(jù)推測(cè)，超重元素可以用來(lái)制作沒(méi)有放射性的超小型核武器和無(wú)放射性的熱核武器引爆裝置。同時(shí)，超重元素的研究，將給某些自然科學(xué)學(xué)科帶來(lái)新的突破，為元素周期律、原子核結(jié)構(gòu)、元素起源和天體演化等等，提供更加充分的科學(xué)論證。

　　超重元素的研究具有如此重大的理論意義和實(shí)際意義，所以受到世界各國(guó)的普遍重視。從六十年代中期起，許多國(guó)家的科學(xué)家為了登上超重元素穩(wěn)定島，作了巨大的努力。這包括兩方面的工作：一是用人工的方法合成超重元素，二是在自然界尋找天然存在的超重元素。

　　使用人工合成的方法要想登上穩(wěn)定島，就必須越過(guò)不穩(wěn)定性海洋。這就意味著，除了用很重的元素作靶子外，還必須使用很重的離子作為轟擊炮彈，使原子序數(shù)一下子就增加很多，直接進(jìn)入穩(wěn)定性超重區(qū)域。這就需要加速很重的、包括鈾在內(nèi)的重離子。為了能得到較為穩(wěn)定的超重核，要選擇合適的同位素作轟擊炮彈和靶子，使生成的超重核的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都是幻數(shù)，或者接近幻數(shù)。為此，科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了各種類(lèi)型的核反應(yīng)。

　　有人認(rèn)為，最有希望的一個(gè)反應(yīng)應(yīng)該是兩個(gè)鈾238核相互碰撞的核反應(yīng)。不過(guò)據(jù)稱(chēng)，這個(gè)反應(yīng)已經(jīng)有人試過(guò)，結(jié)果是令人失望的。鈾轟擊鈾，產(chǎn)生了許許多多的放射性同位素，唯獨(dú)沒(méi)有找到超重元素。

　　由于預(yù)言超重元素的半衰期可能長(zhǎng)達(dá)一億年，甚至一百億年，這表明，它們也可能在自然界天然存在。因此，在試圖人工合成超重元素的同時(shí)，探索天然超重元素的工作也在以一個(gè)更大的規(guī)模進(jìn)行著。為了尋找天然存在的超重元素，科學(xué)家們采用了最先進(jìn)的探測(cè)方法，找遍了天推海角。他們?cè)诟鞣N特殊的礦物中找，在來(lái)自地球深處的溫泉水中找，在大洋底部取出的錳結(jié)核中找，在月球上帶回的巖石樣品中找，在“天外來(lái)客”隕石和宇宙射線(xiàn)中找，總而言之，在一切被認(rèn)為有希望找到超重元素的物質(zhì)中找。

　　經(jīng)過(guò)十多年的努力，雖然關(guān)于發(fā)現(xiàn)超重元素的消息不時(shí)傳來(lái)，也曾掀起過(guò)一陣陣激動(dòng)，但肯定的結(jié)果至今尚未得到。這可能是由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)和探測(cè)手段目前尚未達(dá)到足夠高水平的緣故，或許是因?yàn)槔碚擃A(yù)測(cè)是錯(cuò)誤的，根本不存在什么超重元素的“穩(wěn)定島”，那當(dāng)然就談不上有什么“新大陸”可發(fā)現(xiàn)了。

　　但是退一步講，即使是后一種情況，我們只要回憶一下從費(fèi)米開(kāi)始的探索超鈾元素的過(guò)程，就不禁要問(wèn)，難道超重元素的探索就決不可能引出比裂變現(xiàn)象更為重要的現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)嗎？要知道，費(fèi)米那時(shí)是用中子轟擊鈾，而現(xiàn)在是用鈾襲擊鈾—用最重的天然元素轟擊最重的天然元素！