填補(bǔ)核素“譜系”空白　我國科學(xué)家向新元素合成加速邁進(jìn)

　　合成與研究新核素是原子核物理研究的前沿?zé)狳c(diǎn)，對于探索原子核的存在極限、揭示新物理現(xiàn)象、深化對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的理解具有重要意義。這一領(lǐng)域國際競爭激烈，體現(xiàn)了國家綜合科技創(chuàng)新能力。

　　中國科學(xué)院近代物理研究所超重核研究團(tuán)隊，近日利用蘭州重離子加速器，首次成功合成新核素锫-235及其阿爾法衰變子核镅-231。該研究為理解重核區(qū)原子核的核結(jié)構(gòu)、衰變特性等提供了重要實驗依據(jù)，進(jìn)一步拓展了核素的認(rèn)知版圖。相關(guān)成果發(fā)表于《物理快報B》。

　　填補(bǔ)核素“譜系”空白

　　什么是核素？論文作者、近代物理所研究員王建國介紹，由確定數(shù)目的中子和質(zhì)子構(gòu)成的原子核被稱為核素，它是原子核物理和核化學(xué)中最基本的研究單元。核素有兩種來源，即天然在地球上存在和實驗室中人工合成。

　　在超重核研究團(tuán)隊辦公室里，記者看到一張核素圖。圖上橫坐標(biāo)為中子數(shù)，縱坐標(biāo)為質(zhì)子數(shù)。核素圖上每一個坐標(biāo)都代表一種核素，構(gòu)成了原子核物理的幾乎所有研究對象。

　　自然界中存在的、相對穩(wěn)定的核素集中在核素圖上一條狹長的區(qū)域內(nèi)，通過這一區(qū)域的中心所作的一條曲線稱作β穩(wěn)定線，其他核素都是具有放射性的不穩(wěn)定核素。

　　根據(jù)理論預(yù)測，自然界中可能存在約8000種核素。目前已被發(fā)現(xiàn)的3400多種核素都在核素圖上標(biāo)明了自己的位置，而那些尚未被標(biāo)記的空白區(qū)域，正是核物理學(xué)家們不斷探索的前沿。

　　“這次新合成的锫-235與镅-231位于缺中子錒系核區(qū)。”王建國指著核素圖的右下區(qū)域說道。

　　據(jù)介紹，該區(qū)域遠(yuǎn)離β穩(wěn)定線，新核素產(chǎn)生概率非常低、探測和捕捉難度極大，此前該區(qū)域國際上已有十多年沒有新的發(fā)現(xiàn)。我國研究團(tuán)隊的此次突破，正是瞄準(zhǔn)了這一國際前沿領(lǐng)域，用自主研發(fā)的大科學(xué)裝置和創(chuàng)新實驗方法，打開了探索的突破口。

　　兩年攻關(guān)“捕捉”新核素

　　單個原子核看不見、摸不著，科學(xué)家如何確認(rèn)它們的存在？答案是依靠原子核放射性衰變的獨(dú)特基因。

　　每個不穩(wěn)定的原子核都會按照自身規(guī)律衰變，形成專屬的“衰變鏈”：母核衰變成子核，子核再衰變成孫核。每種核的衰變能量和時間都是獨(dú)一無二的，就像每個人的指紋一樣。

　　先進(jìn)的探測器陣列能夠?qū)崟r捕捉原子核衰變時釋放的信號。通過完整記錄衰變鏈，科學(xué)家可以反向推導(dǎo)，確認(rèn)最初合成的正是那個目標(biāo)新核素。

　　“這個探測過程就像做基因測序?！眻F(tuán)隊成員、研究員張志遠(yuǎn)解釋，“通過子核和孫核的‘身份信息’，我們可以反推母核的存在。如果這個衰變鏈?zhǔn)谴_實存在的，并且被探測裝置完整捕捉到，那么新核素就得到了確認(rèn)?！?/p>

　　原理看似容易，但要在微觀的原子核世界里真正定位一個新核素，相當(dāng)于在茫茫宇宙中尋找一顆特定的星辰，需要經(jīng)過無數(shù)次實驗，加之原子核衰變模式多樣且相互競爭，想要捕捉并鑒別出新核素，對實驗設(shè)備和探測技術(shù)的要求極高。

　　從實驗設(shè)計到實施，從數(shù)據(jù)分析再到文章撰寫，研究人員此次合成的兩種新核素耗時兩年有余。

　　在實驗過程中，布局在近代物理所的蘭州重離子加速器發(fā)揮了重要作用。該裝置可以實現(xiàn)全天24小時運(yùn)行，研究人員設(shè)置好相關(guān)參數(shù)后，電腦程序即控制設(shè)施高效開展轟擊實驗，不斷對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和整理。

　　王建國介紹，加速器提供了穩(wěn)定且極高流強(qiáng)的氬-40束流。“通俗來講，束流好似炮彈，加速器就好比大炮，一秒鐘可以打出18萬億個原子核。我們利用束流轟擊高純度的金靶，通過熔合蒸發(fā)反應(yīng)，讓兩種原子核在高速碰撞中融合成實驗的目標(biāo)新核素。這些新合成的原子核利用一種叫充氣反沖核譜儀的磁分離器進(jìn)行高效選擇，最終在探測器上成功捕捉到锫-235與镅-231的蹤跡?！?/p>

　　記者了解到，研究團(tuán)隊還運(yùn)用了高靈敏的單原子探測鑒別技術(shù)，在近一個月的實驗中，觀測到三條能量-位置-時間高度關(guān)聯(lián)的阿爾法衰變鏈，首次精準(zhǔn)測量出锫-235和镅-231的阿爾法衰變粒子能量，以及镅-231的半衰期和阿爾法衰變分支比，這些精準(zhǔn)的實驗數(shù)據(jù)，為后續(xù)研究打下了堅實的基礎(chǔ)。

　　基礎(chǔ)研究蓄力前行

　　自20世紀(jì)90年代以來，近代物理所團(tuán)隊已在核素合成領(lǐng)域耕耘了30余年。幾代研究人員接續(xù)攻關(guān)，在基礎(chǔ)前沿研究、關(guān)鍵核心技術(shù)自主可控、科技賦能生產(chǎn)力等方面取得積極進(jìn)展，截至目前累計發(fā)現(xiàn)了44種新核素，其中近十年來發(fā)現(xiàn)的新核素數(shù)量占了一半以上。

　　團(tuán)隊成員、研究員甘再國介紹，新核素研究在近十年迎來成果“井噴”，得益于國家對基礎(chǔ)研究的持續(xù)投入、大科學(xué)裝置的不斷升級和研究人員的持續(xù)深耕。在國家的支持下，蘭州重離子加速器的束流強(qiáng)度提升了整整一個數(shù)量級，大幅提升實驗效率；研究團(tuán)隊發(fā)展了新型的數(shù)字化電子學(xué)技術(shù)，獲取信號的能力從微秒級提升至納秒級，能夠捕捉到轉(zhuǎn)瞬即逝的微弱信號。

　　技術(shù)的飛躍發(fā)展和研究人員的接續(xù)努力，讓我國在新核素合成領(lǐng)域躋身國際前列。特別是在缺中子錒系核區(qū)這一國際公認(rèn)的難點(diǎn)區(qū)域，近代物理所近十年發(fā)現(xiàn)的核素數(shù)量，已經(jīng)處于國際領(lǐng)先水平。

　　談及新核素的應(yīng)用未來，研究人員表示，基礎(chǔ)研究的特點(diǎn)之一在于其前瞻性、戰(zhàn)略性需求導(dǎo)向。例如，煙霧報警器是依靠镅-241的衰變機(jī)制發(fā)揮自動報警作用，镅-241是由美國科研團(tuán)隊在1944年發(fā)現(xiàn)并合成的新核素。而钚-239也是通過人工核反應(yīng)合成的核素。

　　“做它之前，誰都不知道有什么用，但一旦做成了，也許有很大的應(yīng)用價值。許多影響世界的重大應(yīng)用，都源于最初看似‘無用’的探索。”張志遠(yuǎn)說，隨著科技不斷進(jìn)步，未來這些新核素或許能在癌癥治療、航天探測等領(lǐng)域找到用武之地。

　　研究人員表示，在原子核物理的探索之路上，每一個新核素的合成，都是一次向微觀世界的深入邁進(jìn)，不斷擴(kuò)展人類對物質(zhì)世界的認(rèn)知邊界，最終引領(lǐng)人們邁向合成新元素的終極目標(biāo)。

　　“合成一個新元素，其實就是找它的原子核。每一個新核素也可以被看成是合成新元素前的重要儲備，此次成果為我國新元素合成研究積累了重要經(jīng)驗?！备试賴f。（記者 張文靜 任延昕）

　　轉(zhuǎn)自：經(jīng)濟(jì)參考報

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