核与核寻

2025年12月20日星期六

1808年，道尔顿出版了《化学哲学新体系》，给出了原子的定义，建立了元素和原子的关系，认为特定的元素是有相同的原子组成的，不同元素的差别是他们的原子具有不同的质量。

此后，一直以为同一元素的原子都是相同的，元素之间是否可以转变一直没有实验证据。

都与上述问题的新认识开始于放射性引发的系列研究。

居里夫妇和贝克勒尔提出了放射性一词，元素放出的射线叫射线radiation，元素放出射线的现象叫放射性radioactivity，有放射性的元素叫放射性元素radioactive element。

居里的实验结果在1898年发表，Curie MP,  Curie MmeP, Bemont MG. 1898. Sur une nouvelle substance fortement radio-active. Contenue Dans La Pechblende 127: 1215-1217.

1903年，他们三人因为这一发现获诺贝尔物理学奖。

放射性吸引了科学家继续研究，几个前沿问题是 放射线是什么，元素怎么发出放射线的，放射线有什么影响。

卢瑟福首先发现元素发出放射性以后变成了另外的元素。1901年弗雷德里克·索迪Frederick Soddy与卢瑟福发现放射性钍变成了镭。索迪后来回忆此事说，当他发现这件事后，兴奋的喊道：卢瑟福，这就是嬗变transmutation。卢瑟福赶紧回应道：天哪，索迪，不要叫做transmutation，他们会认为我们是炼金术士拉去砍头的。

1902年，他们发表了论文  E. Rutherford, F. Soddy. 1902. The Cause and Nature of Radioactivity I, II. Philosophical Magazine IV, 370–96, 569–85.  已有pdf  发射射线为emanation，

在这篇论文中，他们用衰变（蜕变）decay一词，而没有用嬗变。他们提出放射性原子是不稳定的，它们自发性地放射出射线和能量，而自身衰变成另一种放射性原子，直至成为一种稳定的原子为止。

卢瑟福和索迪等人进一步研究放射性元素递次变化，形成衰变链，而衰变链上的系列元素为衰变谱系。大部分放射性元素并不直接衰变成稳定的状态，而是经过一连串的衰变反应，最终达至稳定的同位素为止。例如，镭是由铀衰变而成的，铀的半衰期大约是几百万年，镭的半衰期是1千多年，随后经历了半衰期都很短的三个阶段，又变成了半衰期较长的放射钋，最后变为稳定元素铅。又如，钍-232的的衰变链由自然产生的钍-232开始，这个衰变链的衰变产物包括以下几种元素：锕、铋、铅、钋、镭及氡，它们都短暂或长期地存在于任何含有钍元素的合金、化合物或矿藏中。

单个原子的衰变是瞬时发生的，但是最初一堆原子在经过时间t后的衰变则由指数分布e表示，当中的λ称为衰变常数。正因为衰变的指数特征，每一种同位素都有其半衰期。一定数量的相同放射性同位素在经过半衰期后，其中的一半会衰变成子同位素。实验已经测定了数千种放射性同位素（或放射性核素）的半衰期，从几乎马上衰变到10年以上不等。

中间的衰变阶段往往比最初放射性同位素的衰变具有更强的放射性。达到平衡之后，第二代子同位素的量与其半衰期成正比。不过由于其活跃性与半衰期成反比，任何在衰变链中的核素最终都会达到母同位素的放射水平。例如，自然铀的放射性并不特别高，但是沥青铀矿的放射性却是它的13倍，因为矿中还包含镭和其他子同位素。除了镭明显较高的放射性之外，衰变链中的下一步会产生氡。氡是一种放射性的重惰性气体，会囤积在含有钍或铀的岩石附近的空隙里，如地下室和矿井里。长期接触氡气是导致非吸烟者患上肺癌的最主要原因。

元素的衰变打破了自古希腊以来人们相信的原子永远是不生不灭的传统观念，而认为一种元素的原子可以变成另一种元素的原子。开始，连卢瑟福本人也感到犹豫，因为这太像早已被化学家否定了的炼金术。卢瑟福因此获1908年诺贝尔化学奖。

在物理学界，卢瑟福以看不起其他学科而出名。他曾说过这样一句名言：“世界上所有的科学，不是物理学，就是集邮。”言下之意是，与物理学相比，其他自然科学都和集邮一个档次。这句话得罪了很多其他学科的科学家，其中反应最激烈的是化学家。事实上，他们甚至对卢瑟福进行了“报复”，给他发了一个诺贝尔化学奖。

核聚变fussion分为热核聚变和冷核聚变，热核聚变是自然界发生的受击嬗变。

1920年，爱丁顿（Arthur Eddington）根据爱因斯坦的质能方程提出恒星的能量来自于氢聚变为氦的过程，他的论文是Eddington AS. 1920 (Oct). The internal constitution of the stars. The scientific Monthly 11(4): 297-303. 

卢瑟福在1934年的著名实验中，卢瑟福展示了氘（氢的同位素，重氢）聚变为氦的过程，并观察到“产生了巨大的效应”。这可以被视为核聚变研究的一个重要起点。卢瑟福的学生马克·奥利芬特（Mark Oliphant）使用更新版本的设备，发现了氦-3和氚，显示重氢核可以相互反应。这是实验室中第一次直接演示聚变。

他们先在著名期刊Nature上发文：   Oliphant, M.L.E., Harteck, P. and Rutherford, E. (1934) Transmutation Effects Observed with Heavy Hydrogen. Nature 133: 413. 

后来实验细节以相同的文章题目发表在专业学术期刊上：Oliphant, M.L.E., Harteck, P. and Rutherford, E. (1934) Transmutation Effects Observed with Heavy Hydrogen. Proceedings of the Royal Society A, 144, 692-703.

既然获得了诺贝尔化学奖，坚持观点的底气也有了，加之元素嬗变得到了学界认可，这位大佬终于敢于使用嬗变transmutation这个炼金术士的用语了。

这一理论于1939年被汉斯·贝特（Hans Bethe）的工作所证实。贝特描述了通过质子-质子链反应，太阳和恒星释放能量的过程，获得了1967年的诺贝尔物理学奖。

Bethe H. 1939 (1 Jan). Energy production in stars. Physical Review 55：103.

虽然核聚变反应堆的第一个专利是在1946年于英国注册的，但直到1951年核聚变研究才真正开始。当时，阿根廷科学家对外宣称他们已经实现了"受控热核聚变"（后来被证明是一出恶作剧），随后美国、俄罗斯、英国、法国和日本都争相研发属于他们自己的核聚变装置。

1951年5月，在阿根廷闹剧过后仅仅两个月，美国天体物理学家莱曼·斯必泽就提出了仿星器的概念。从五十年代到六十年代，仿星器一直是核聚变能研究的主流装置。直到后来，苏联提出了比仿星器更高效的托卡马克概念，仿星器的研究才被搁置。

此后的事情正如我们所知道的那样，在爱丁顿实现理论突破后还不到一个世纪的时间里，就建立了国际热核聚变实验堆（ITER）计划，

恒星的热核聚变原理也帮助估计其核心温度。

当时爱丁顿提出核聚变假说时，在太阳的核心温度是多少上犯了难，而且这还不是一般的难，如果只是用理想气体以及流体静力学平衡模型，再附加一些假设性的内部元素比例，算下来的温度是不稳定的，大约在两千万到四千万摄氏度之间。之所以会这样，是因为当时的核物理研究还处于萌芽阶段，因为太阳内部属于氢核聚变，因此在微观尺度上的强弱相互作用以及量子力学效应都需要考虑，至于这些过程的细节，不适合详细讲解，因此就只提一下一个重要的环节——“量子隧穿效应”。因为这个效应非常重要且非常有意思，我们知道当两个质子相互靠近时，由于同性相斥，所以会遇到一股强大的电磁排斥力，而核聚变就是要克服这股斥力，因而需要高温高压状态。但是由于隧穿效应的存在，使得这个过程的难度下降了不少，打个比方，按照经典理论，比如两个质子的距离要小于1，才能使得强力大于电磁力，进而聚变，而考虑量子隧穿，那么这个距离可以适当放宽些，比如1.1就可以了。因此最后人们通过计算，将太阳的核心温度修正为1500万摄氏度左右。如何测得太阳核心温度可事情到这还不算结束，1500万摄氏度毕竟只是算出来的，我们应当有实验进行测量验证才行啊。而这件事就落到了两个实验上，一个是中微子捕捉，一个是日震学观测。不得不再提一下，之所以一个是捕捉、一个是观测，那还是因为太阳距离地球太远，表面温度又太高，地球上还没有任何一种物体能够深入太阳内部而不熔化，所以只剩下两个手段，一个是常见的观测，一个就是捕捉太阳核心产生的中微子。下面就极为简单的说一下这二者的原理：首先是中微子，因为太阳内部中微子的产生速率对核心温度非常敏感，因而我们依据在地球上捕捉到不同能量中微子的通量就能确定核心温度是多少。

其次是日震学手段，观测太阳上的震动，通过地震可以研究地球内部构造，那么日震也是如此，太阳内部的温度、元素占比、自转速度、结构等等，都可以研究。最后发现，这两种测量手段得到的结果是一致的，太阳核心温度为1500万摄氏度。

索迪在后续研究中观察到一个关键现象：他发现一些放射性产物尽管其放射性性质（如半衰期）截然不同，但在化学上却无法将它们分离开来。这一困惑在1913年得到了理论解释。索迪与卡西米尔·法扬斯各自独立提出了放射位移定律。基于这一逻辑，索迪在1913年大胆提出：多种放射性性质不同但化学性质完全相同的原子，应该被放置在元素周期表中的“同一个位置”。他将这些原子命名为“同位素”（Isotope）。索迪因放射性衰变及对同位素起源和性质研究获1921年诺贝尔化学奖。

 1913年由J.J.汤姆孙确定质谱方法分辨不同的同位素，汤姆孙在研究阳极射线（正离子流）的性质时，意外发现底片上清晰地出现了两条独立的抛物线光斑。这证明这束正离子流中存在两种不同质量的原子。他由此得出结论，氖元素并非由单一质量的原子构成，而是由质量数约为20和22的两种原子混合而成。这是人类首次在稳定（非放射性）元素中发现同位素存在的直接物理证据。以后经 F.W.阿斯顿等人改进完善，发明了质谱仪，该成果使其获得1922年诺贝尔化学奖。

1913年发现原子电量和元素序数，1919年发现质子，1932年中子发现，从此人们意识到元素的区别在于质子数，同位素的区别在于中子数。

冷核聚变就是在常温下发射轻核撞击原子序数较高的元素的原子核，两个原子核融合形成一个新的、更重的原子核。

冷核聚变是受击核嬗变，在自然界和人工条件都可以发生，但是在自然界不易观察，所以受击嬗变又称人工嬗变。

 1919年4月，卢瑟福寄出了一篇论文，：《氮气中的异常效应》（‘An Anomalous Effect in Nitrogen’）。

用α粒子轰击氮原子核，使氮原子嬗变成了氧原子，首次实现了原子核受击（人工）嬗变。这也是历史上首次人工将一种元素变成了另一种元素，被誉为当代炼金术。就算他从未做过任何别的研究，这篇论文也会让他名垂青史。

正如卢瑟福往常的实验风格一样，该实验的设备简陋到堪称粗糙的地步：一根装在密封黄铜盒子中的小玻璃管，一端连接着一块锌硫化物的闪烁屏幕。黄铜盒子内充满氮气，然后向玻璃管中通入一个α粒子源，即来自镭的放射性气体氡所发出的氦原子核。

当卢瑟福观察锌硫化物屏幕上的活动时，激动人心的时刻到来了：屏幕上的闪烁与氢原子产生的闪烁没有明显区别。既然系统中没有氢原子，怎么会产生这样的结果呢？

这催生了卢瑟福论文第四部分中著名的悲观主义句子：“从目前得到的结果来看，我们很难回避这样的结论，即α粒子与氮原子碰撞产生的长射程原子并非氮原子，而很可能是氢原子。……如果情况属实，我们必须定论，氮原子发生了衰变。”但报界没有那么谨慎。他们奔走相告：欧内斯特·卢瑟福爵士已经实现了原子分裂。

卢瑟福本人也意识到了自己研究的重要性。他的实验暂时让他从反潜艇研究中分了心。他向监察委员会自我辩护道：“如果，我有理由相信我已经让原子核发生了衰变，那么这一发现的意义要比第一次世界大战更大。”

从某种意义上说，卢瑟福取得的成果相当于炼金术士孜孜以求的目标，即将一种元素嬗变为另一种元素，在他的实验中是将氮元素嬗变为氧元素和氢元素。

（历史上首次）人工嬗变的发生机制也非常明确：一个α粒子，即原子量为4的氦原子核。它在轰击一个原子量为14的氮原子时，取代了一个氢原子核的位置（卢瑟福很快将其命名为质子，proton）。

因此这里的算法变成了：4+14—1=17，生成氧同位素O17。

这一发现的意义，除了自然存在可变性这一哲学意义之外，还在于它开启了研究原子核的新途径。

1932年美国科学家柯克罗夫特（J.D. Cockcroft）和爱尔兰科学家沃尔顿 (E.T.S. Walton)建造成世界上第一台直流加速器——命名为柯克罗夫特-沃尔顿直流高压加速器，以能量为0.4MeV的质子束轰击锂靶，得到α 粒子和氦的核反应实验。 这是历史上第一次用人工加速粒子实现的核反应，因此获得了1951年的诺贝尔物理奖。

1932 年 4 月考克饶夫和瓦尔顿加速器，瓦尔顿正坐在那里观测闪烁

1934年，约里奥-居里夫妇用钋的α射线轰击铝箔，发现当α源移去后，铝箔有放射性；其强度也随时间按指数规律下降。这种放射性是由α粒子打在铝-27上发出一个中子而形成磷-30，磷-30不稳定，又放射出正电子而形成稳定元素硅。他们发现了一种新的放射性物质磷-30，产生了一个天然不存在的磷的放射性同位素。这是首次人工产生了放射性同位素。他们在1935年获得诺贝尔化学奖。

约里奥-居里夫妇的实验激励实验物理学家们致力于α粒子轰击原子核的工作。

1932年，卢瑟福的学生查德威克发现中子。由于中子是电中性的，打击原子核时不用像带正点粒子（如阿尔法粒子）需要克服电磁斥力，因此很适合作为“炮弹”去轰击原子核。1934年，意大利物理学家费米改用新发现的中子去逐个轰击元素周期表上的元素原子，到氟时终于得到了放射性同位素，并且在短短几个月内发现了数十种放射性同位素。费米还意外地发现，在中子源与被轰击的银金属之间放一块石蜡后，所激发的核反应更为强烈。这就是说，慢中子（经过减速后的中子）引发核反应的能力更强。费米小组发现慢中子在引起放射性粒子发射上特别有效，他将这一方法成功地用于一系列元素，这一事件被认为是原子时代的“真正起点”。由于他的慢中子轰击实现核反应和鉴别用中子轰击产生出的许多新同位素研究成果，而获得理论物理学界的一致认同，并荣获1938年诺贝尔物理学奖。

1928 年前后，人们纷纷在寻找加速粒子的方法。当时实验室中用于加速粒子的主要设备是变压器和整流器、冲击发生器、静电发生器、特斯拉（Tesla）线圈等。这些方法全都要靠高电压，可是电压越高，对绝缘的要求也越苛刻，否则仪器就会被击穿。

1930 年春，劳伦斯让他的一名研究生爱德勒夫森（Nels Edlefson）做了两个结构简陋的回旋加速器模型。真空室的直径只有 4 英寸（10.2 cm），其中的一个还真的显示了能工作的迹象。同年 9 月，美国科学院在伯克利开会，劳伦斯在会上宣布了这一新方法，并向与会者展示了小模型。

随后，劳伦斯让另一名研究生利文斯顿（M.S.Livingston）用黄铜和封蜡作真空室，直径也只有 4.5 英寸（11.4 cm），但这个“小玩意儿”已具有正式回旋加速器的一切主要特征。1931 年 1 月 2 日，在这微型回旋加速器上加不到 1 kV 的电压，可使质子加速到 80 keV，也就是说，不到 1 kV 的电压达到了 80 kV 的加速效果。这次实验标志了回旋加速器的成功。

第一台回旋加速器

1932 年，劳伦斯又做了 9 英寸（22.9 cm）和 11 英寸（28 cm）的同类仪器，可把质子加速到 1.25 MeV。正好这时英国卡文迪什实验室的考克饶夫（J.D.Cockcroft）和瓦尔顿（E.T.S.Walton）用高压倍加器作出了锂（Li）转变实验。消息传来，人心振奋，劳伦斯看到了加速器的光明前程，更加紧工作，不久就用 11 英寸回旋加速器轻而易举地实现了锂转变的实验，验证了考克饶夫和瓦尔顿的结果。这次实验的成功，显示了回旋加速器的优越性，使科学界认识到它的意义，同时也大大增强了劳伦斯等人对自己工作的信心。

于是，劳伦斯和利文斯顿以更大的规模设计了一台 D 形电极直径为 27 英寸（68.6 cm）的机器，准备加速到 5 MeV 能量。这时氘已经被尤里发现，氘核比质子重一倍，用氘核做“炮弹”，肯定会获得更佳效果。而且氘核是由一个质子和一个中子组成的复合核，氘核在静电场作用下有可能解体，分裂成质子和中子，而中子的穿透能力特别强，这样就可以利用回旋加速器产生许多重要的人工核反应。可是，随着 D 形电极直径的增加，整套机器的复杂性和电磁铁的体积与重量都随之急剧增加，不好解决。劳伦斯为此四处奔走，筹集资金。

27 英寸回旋加速器的运行带来了丰硕成果。虽然由于盖革计数器本底较大而且没有规律，劳伦斯错过了发现人工放射性的机会，但在应用方面还是取得了相当重要的进展。许多放射性同位素陆续在伯克利发现。伯克利加州大学成了核物理的研究中心，并把生产出来的放射性同位素提供给医生、生物化学家、农业和工程科学家，以供推广应用。

1936 年，在劳伦斯主持下，27 英寸的回旋加速器改装成 37 英寸（94 cm），使粒子能量达到 6 MeV。用它测量了中子的磁矩，并且产生出了第一个人造元素——锝（Tc）。

锝（technetium，元素符号Tc）原子序数为43，是一种放射性金属元素，为银白色金属，在元素周期表中属ⅦB族，密排六方晶体。 1937年，佩里埃（C.Perrier）和塞格雷（E.G.Segré）用回旋加速器以氘核轰击钼发现锝。锝是第一个用人工方法制得的元素，所以按希腊文technetos（人造）命名为technetium。

劳伦斯（右）和利文斯顿站在 37 英寸回旋加速器旁

欧内斯特·奥兰多·劳伦斯（美国）发明回旋加速器，并获得人工放射性元素，获得1939年诺贝尔物理学奖。

加速器的使用使得实验装置及其运维成本逐渐变得高昂，科学家的小课题组甚至所在单位都无法独自支持这些装置，从此科学的组织形态从单一实验室小作坊式状态进入国家建造和运维这些装置，而新的科学发现也愈发依赖于这些装置，所以进入了大科学状态。劳伦斯也被称为大科学之父。

1938年，奥格尔Auger发现了广延空气簇射Extensive air shower

Auger, P., et al. 1939. Extensive Cosmic Ray Showers. Rev. Mod. Phys., 11:288.

宇宙线簇射指高能宇宙线进入地球大气层后，与氧、氮等原子核发生级联反应，产生次级粒子呈几何级数增长并散落数平方公里范围的现象，伴随契伦科夫光和荧光的产生。  

费米的研究小组继续沿着元素周期表往下实验，以前的轰击都是子弹粒子嵌进靶物质的核子里，形成不稳定的核，其中有可能是新的同位素，但是距靶核不远。

轰到铀时，他们猜想应该能得到一个原子序数为93的超铀元素，但结果有些异常：因一开始他们还以为出现了超铀元素，未对异常现象进一步深究。后来，有不少其他核物理学家同时发现了异常现象。主要的异常是，用中子轰击之后的铀产生了许多新的放射性元素，而这些元素在周期表中并不与铀邻近。德国女化学家诺达克提出，在中子轰击下，铀分裂成几块，只有这样才能解释新出现的放射性元素与铀并不邻近的“奇怪”现象。但这一观点一开始不被人们接受，因为从表面上看，慢中子能量这样小，怎么能将铀的核打碎呢？

1938年，德国物理学家哈恩受约里奥-居里夫妇实验报告的启发，也重做了有关的实验，并且确信铀嬗变后出现的确实是钡、镧等一些与铀相距甚远的元素。哈恩对实验结果感到十分迷惑，便将这些结果和疑问写信告诉了奥地利女物理学家迈特纳。迈特纳当即提出了一个大胆的猜想：铀核在俘获了一个中子后分裂成两个大致相等的部分。她称这一过程为“分裂核”，玻尔后来改称为“核裂变”。她认为裂变过程要发生质量亏损，根据爱因斯坦的质能关系式，裂变应放出大量的能量。迈特纳的侄儿弗里希将姑母的这个想法告诉了玻尔，并说自己要着手验证这个想法。玻尔当时正准备启程去美国开会，刚一到美国，弗里希就电告实验已经证实了迈特纳的想法。玻尔立即将消息告诉了与会的物理学家们，引起了强烈的轰动。有的人甚至连报告都没有听完，就急着赶回去做实验。原子核裂变的实验事实很快就得到了公认。哈恩因此获得1944年的诺贝尔物理学奖。

核裂变的发现很自然地促使人们想到链式反应的可能性。所谓链式反应就是当中子轰击铀核使核发生分裂时，又有新的中子产生从而再轰击别的铀核，使这一反应像链条一样一环扣一环地持续下去。费米在得到核裂变的消息后，当即提出了链式反应的概念，并预言一个重核裂变成两个轻核时一定会出现多余的中子。

1942年，由物理学家费米领导的小组在芝加哥大学完成建设公认的第一座核反应堆是芝加哥一号堆（Chicago Pile-1），简称CP-1。这是一个实验性的反应堆，证明了链式核裂变理论。

 如果加大子弹的能量，就能将核轰成碎片。

1947年，在加利福尼亚大学的回旋加速器用400 MeV的alpha射线和200 MeV的氘引发了核散裂，靶标元素散裂后产生了大量中子、带电粒子和其他不同的核。 Serber 认为散裂分为两步，第一步是非常快的发射出大量高能粒子和被激发的核，第二部速度慢些，被激发的核退激。 

W. M. Brobeck et al., Phys. Rev. 71, 449-450 (1947).

散裂是高能粒子与质量核相互作用引发靶核分裂的物理过程，主要表现为高能质子等粒子轰击重原子核后释放自由核子及轻原子核。当高能粒子（质子或氦核）动能超过原子核结合能时，德布罗意波长小于核尺寸，直接穿透核结构引发级联反应。靶核吸收动能后形成高温高密激发态，通过发射中子、质子及π介子实现能量弛豫，最终分裂为轻核碎片。该过程与核裂变的链式反应不同，无需临界质量且热效应更低。

1970年，发现了宇宙射线散裂cosmic ray spallation。当宇宙线中重的原子核成分，即碳和氧的原子核，与星际物质碰撞时，它们分裂成较轻的锂、铍、硼原子核（此过程被称为宇宙射线散裂）。被发现的锂、铍和硼的能谱比来自碳或氧的更为尖细，这个值暗示有少数的宇宙射线散裂是由更高能量的原子核产生的，推测大概是因为它们是从银河的磁场逃逸出来的。散裂也对宇宙线中的钪、钛、钒和锰离子等的丰度负责，它们是宇宙线中的铁和镍原子核与星际物质撞击产生的（参见天然的背景辐射）。

该现象在宇宙射线与大气层物质碰撞时发生，可生成锂、硼等轻元素及铝-26等同位素，弥补太初核合成模型的不足。

实验室中通过散裂中子源装置实现可控散裂反应，例如中国散裂中子源（CSNS, China spallation Neutron Source）, 利用16亿电子伏特质子束轰击钨靶，产生20-30个中子/质子并应用于材料科学检测。

1913年发现原子电量和元素序数，1919年发现质子，1932年中子发现，

 自从有了同位素（同一元素内部不同重量或中子数量的原子）之后，人们用各种各样的名词来表示原子(核)的种类，如atomic species, kind of atom, atomic type。

1947年美国科学家科曼（Truman Paul Kohman）提出“核素”一词，将它定义为：“具有给定质子数Z和中子数N的一类原子核所组成的元素”。核素一词在英文中被叫做“nuclide”，这一单词来源于拉丁文“nucle”（核）和希腊文“ετδοξ”（种类），是由这两个词复合而成的。

Kohman TP. 1947. Proposed new word: nuclide. Am J Phys 15: 356-357. 

自然界中存在约288种稳定核素，它们分布在核素图中狭长的稳定线附近。

2025年1月，中国科学院近代物理研究所发布新版《原子核基本性质实验数据核素图》，收录5278种核素。理论预测可能存在约7000种核素，但目前仅有3300多种被实验合成并观测到。

2025年6月，中国科学院近代物理研究所首次合成了目前已知的最缺中子的镤同位素——新核素镤-210，相关研究成果发表在《自然·通讯》上。

原子序数大于92（铀元素）的元素统称超铀元素。又叫铀后元素。超铀元素大多都是由人工核反应发现和制取的，只有极少的超铀元素存在于自然界。发现的超铀元素有27种。

1940年，美国和德国科学家都在搜寻第93号元素的踪迹。为将这个意图变成现实，美国物理学家麦克米伦（Edwin Mattison McMillan）和菲力普·艾贝尔森使用安置在加利福尼亚大学伯克利分校校园内的小型回旋加速器，进行了中子轰击微小铀粒子的实验。他们在这年春天的实验研究测试中确定，铀核在裂变过程中产生了第93号元素（镎），1951年获诺贝尔化学奖。

物理学家在核反应堆与核爆炸中发现了新的元素，比如镎（Np）、钚（Pu）、镅（Am）、锿（Es，以爱因斯坦的名字命名）等。然而，在100号元素镄（Fm，以物理学家费米的名字命名）之后，就算用上如氢弹般大的威力也不足以再产生新的元素了。因此，科学家们决定改变策略。

 人工合成元素的关键是用一种元素的原子核作为“炮弹”来轰击另一种元素的原子核，当两个原子核发生熔合后，就产生了新的元素，新元素的质子数就是之前两种元素质子数之和。比如，用原子序数为5的硼原子核轰击原子序数98的锎原子核，会得到103号元素铹。

利用加速器对较轻元素的离子进行加速，然后将它们朝原子序数较高的元素的原子核发射，希望离子束中的原子核能与靶原子核融合，从而形成一个新的、更重的原子核。然而，这样的事件很少发生，因为即使发生了碰撞，它也必须在适当的能量下发生：能量过低，原子核就会互相反弹；能量太高，新的原子就会炸裂开。以这种方式创造的第一个元素是以门捷列夫命名的101号元素钔（mendelevium，Md）。

在上世纪50年代到70年代，美国和俄国的研究中心将对元素的研究不断向前推进。每隔几年，就会有一种新的元素被发现并命名，最终达到106号元素 （Sg，以核物理学家西博格的名字命名）。

随着德国的GSI亥姆霍兹重离子研究中心将方法改变为“冷聚变”（将一束低能量的离子束聚焦于高原子序数的靶核上），德国开始在新元素的探索方面占据上风。利用这种方法发现了107号元素 （Bh，以物理学家尼尔斯·玻尔的名字命名）到112号元素鎶（Cn，以哥白尼名字命名）的各种元素。

有了113到118号元素，发现者们正在接近一个诱人的目标：稳定岛。据理论预测，当原子核中包含一定数量的质子和中子时，原子核会变得更加稳定和长寿。钙（Ca）、镍（Ni）、锡（Sn）和铅（Pb）就有着异常稳定的原子核。理论家们相信，这是因为这些元素的质子和/或中子数为“幻数”。这些“幻数”对应于可以使原子核更加稳定的填满了的核壳层。

质子和中子数为幻数的元素周围聚集着一些元素，由它们形成的“稳定岛”吸引着研究超重元素的研究人员。但我们尚不清楚稳定岛在元素周期表中的确切位置。有的新合成的元素似乎更稳定：117号元素的一种形式有177个中子，可以在112毫秒内稳定存在。下一个中子“幻数”预计为184，但目前为止，177是中子数量的最大值。科学家们可能离稳定岛的海岸越来越近了，但他们还在海中沉浮未能上岸。

这是因为哪怕只生产微量的新超重元素都是一项非常艰巨的任务。创造117号元素是一个特殊的挑战。唯一能制造出足够数量的靶元素锫（Bk）的地方是美国田纳西州的橡树岭国家实验室，与奥加涅相进行碰撞实验的俄罗斯杜布纳相距数千英里。在杜布纳实验计划开始两年之前，锫元素的制造就已经开始了。他们经过250天的辐照，生产出了足够的锫，之后又经过90天的加工过程进行提纯。然后倒计时开始：具有放射性的锫，半衰期为327天。所有22毫克的锫都必须在加速器和粒子束流可用的时间窗内被迅速运送到杜布纳的联合核研究所。实验成功了：通过用钙核轰击珍贵的锫靶150天，他们最终制造出了117号元素，但得到的数量非常有限，只有6个原子。

目前人类发现或合成的元素共118种，第118号元素是用钙48这种“炮弹”去轰击98号元素锎，从而合成的，以核物理学家奥加涅相（Yuri Oganessian）的名字命名，他在《科学美国人》上写道：“通过用较轻原子核的离子束轰击较重的原子核，科学家制造出了超重原子核，它们非常不稳定，以至于常常在被制造后的极短时间内就分裂了”。

科学家下一个目标是合成119号元素。

要做119号元素的话，无非就是把锎元素换成它的下一个元素，就是99号元素。然而全世界99号元素锿的产量只有微克量级，无法做成靶材，解决的办法之一是变换炮弹原子核和靶原子核的组合。2017年12月，日本的理化学研究所（RIKEN）已经开始着手创造下一个超重元素——119号元素。位于杜布纳奥加涅相的团队从2019年开始搜寻第119号元素。

2019年5月，中国科学院近代物理所开始研制中国超重元素研究加速器装置，将原有的质子直线加速器改造升级为重离子加速器，于2022年2月建成，已成功实现了14.8粒子微安流强、224兆电子伏能量的氩-40束流稳定运行，目前已经稳定运行了10000多个小时，成为国际上技术领先的新元素研究利器。2023年11月，利用这台装置，研究人员成功验证了115号元素的合成。在1个粒子微安的束流条件下，一天大概可以得到1个115号元素的粒子。但是如果有10个粒子微安的束流，那么同样一天就可以得到10个粒子，那样在相同的时间内，科研人员就可以做更精细的研究或者可以得到一些产生概率更低的元素。已经能够提供3粒子微安以上的重离子束流，近期可提供大于10粒子微安的Z≤28离子束流，并同时建成了新的充气反冲谱仪，效率可在40%以上，已经具备了与国际先进实验室在新元素合成方面进行竞争的能力。

变换炮弹原子核和靶原子核的组合，随之而来的问题是：两个重的原子核之间存在的排斥力会大大加强，两个原子核熔合的可能性也会大大降低。因此，只有尽可能地用轻的炮弹原子核去轰击重的靶原子核，才有可能合成119号元素。

为了提高新元素合成的概率，还需要进一步提高炮弹粒子束流在单位时间的数量，也就是束流强度。为此，科研人员建成了一台专用于加速超重元素研究的加速器，将束流粒子加速到接近光速的十分之一，让它去轰击另外一个原子核。

早在2007年，杜布纳和德国GSI的研究人员就开始尝试合成120号元素。不过到目前为止，还没有发现其中任何一种元素的迹象。

元素周期表还能延伸多长仍然是一个悬而未决的问题。上世纪40年代，玻尔曾预言100号元素镄将是周期表的最后一种元素。费曼预测，137号元素将是最后一个元素。周期表的尽头是根据相对论计算得出的。当原子核越来越大，原子核中的质子越多时，这意味着吸引电子的库伦力就越大，所以，围绕原子核运动的电子的速度就会越来越快，达到接近光速。在如此高的速度下，电子变得具有“相对论性”，原子的性质也会非常不同于按元素周期表中的位置所预示的那样。电子的运动速度终将可以超过光速，但这显然是不可能的。在此基础上，一些科学家预测周期表的尽头可能是172号元素。

但目前，没有人真正知道周期表会在哪里结束。

物理奖

1903年：安东尼·亨利·贝克勒尔（法国）发现天然放射性；皮埃尔·居里（法国）、玛丽·居里（波兰裔法国人）发现并研究放射性元素钋和镭

1938 年诺贝尔物理学奖授予意大利罗马大学的费米（Enrico Fermi，1901—1954），以表彰他演示了用中子辐照产生新放射性元素以及用慢中子引起核反应的有关发现。

1939年：欧内斯特·奥兰多·劳伦斯（美国）发明回旋加速器，并获得人工放射性元素

1951年：科克罗夫特（英国）、沃尔顿（爱尔兰）用人工加速粒子轰击原子产生原子核嬗变

化学奖

1904年，Sir William Ramsay “表彰他在发现空气中惰性气体元素以及确定它们在元素周期表中的位置方面所做的贡献”

1906年，Henri Moissan“表彰他在研究和分离氟元素方面所做出的巨大贡献，并采用以他名字命名的电炉为科学服务”

1908年，Ernest Rutherford “对元素分解和放射性物质化学的研究”

1911年，Marie Curie, née Sklodowska “表彰她通过发现元素镭和钋、分离镭以及研究这种非凡元素的性质和化合物对化学进步做出的贡献”

1914年，Theodore William Richards“表彰他准确测定了大量化学元素的原子量”

1921年，Frederick Soddy“对我们放射性物质化学知识的贡献，以及对同位素起源和性质的研究”

1922年，Francis William Aston“表彰他通过质谱仪发现了大量非放射性元素中的同位素，并阐明了整数法则”

1934年，Harold Clayton Urey“发现重氢”

1935年，Frédéric Joliot and Irène Joliot-Curie“表彰他们合成了新的放射性元素”

1944年，Otto Hahn“发现重核裂变”  哈恩

1943年，George de Hevesy “在化学过程研究中使用同位素作为示踪剂方面所做的工作”

1951年，Edwin Mattison McMillan and Glenn Theodore Seaborg“表彰他们在超铀元素化学方面的发现”

1960年，Willard Frank Libby “表彰他在考古学、地质学、地球物理学和其他科学分支中使用碳 14 进行年龄测定的方法”

对于元素和核素的诺贝尔奖都集中在20世纪上半页，此后基本停滞，目前那个时代的尾声是尚有少数科学家在进行创造新元素的研究。