1992年我国新核素合成和研究取得重大成果学术资讯

1992年，中国科学院近代物理研究所“新核素合成和研究”重大项目科研组的张立、袁双贵等科研人员，在世界上首次合成了汞-208和铪-185两种新核素，与中国科学院上海原子核研究所合成的铂-202一起，实现了我国在新核素合成和研究领域“零的突破”，把五星红旗插在了核素图上。这项重大成果被评为1992年全国十大科技成就之一。

原子核的奥秘

路过中国科学院近代物理研究所大门的人，目光会不由自主地被重离子冷却存储环大厅外墙上由彩色马赛克勾勒出的核素图与星系悬臂图所吸引。这正是兰州重离子加速器国家实验室的物理学家在做的事情：通过研究极小的原子核来了解宇宙的过去、现在与将来。

宇宙起源于大爆炸，最初产生了高温夸克胶子等离子体，随着体系的膨胀冷却，夸克凝聚形成了质子和中子，然后核子聚合产生了氢、氦和少量的锂，这些原初轻核素在引力作用下形成了宇宙中最早的恒星。在至今的100多亿年里，宇宙演变成各种星体并通过核合成过程产生了并正在产生着从氢到铀的元素，最终形成了今天丰富多彩的物质世界。因此，核合成过程驱动着宇宙的演化。

▲兰州重离子加速器国家实验室外景

原子核是由质量非常接近的两种核子—带正电荷的质子和不带电的中子，通过核力结合在一起形成的。核素指具有一定数目的质子、一定数目的中子组成的原子核。核素图的纵坐标表示质子数Z，横坐标表示中子数N。质子的数目Z确定时，核力的性质决定了能够与之聚合形成原子核的中子数N有一定范围，最少N_min，最多N_max;大于N_max时，多余的中子束缚不住，会滴出来，N_max称为该元素的中子滴线；小于N_min时，质子会滴出来，N_min称为该元素的质子滴线；这两个滴线确定了核素存在的边界。确定原子核存在的范围、寻找自然界中最重的原子核，是核物理学家正在努力回答的两个前沿科学问题。

核素图上首批中国拓荒者

改革开放40年，中国的经济是从引进西方资本和技术，利用我国廉价劳动力，逐步积累并快速发展起来的。我国的基础科学研究也是从模仿开始，努力追赶世界先进水平的。20世纪80年代末，我国新核素合成才开始布局，在国家科学技术委员会、国家自然科学基金委员会的支持下，中国科学院将新核素合成列为“八五”重点科研攻关项目。从1989年起，研究人员提出了在“重质量丰中子区”合成新核素的新思路，中国科学院近代物理研究所张立和袁双贵等研究人员分别领导研究小组，在简陋的实验条件下，凭着刻苦奋进、顽强拼搏的精神，用了三年时间，于1992年成功合成、分离并鉴别出了新核素汞-208和铪-185，把五星红旗插上了核素图。国家科学技术委员会在贺信中写道：

新核素的合成与鉴别是一项难度很大、水平很高的基础性研究工作，这一工作对原子核的深入认识有重要意义，对核结构理论的检验起重大作用。

在我国新核素合成取得突破后，近代物理研究所的科研人员再接再厉，在2004年年底，共合成和鉴别了25种新核素，对20多种核素的衰变性质进行了研究。其中徐树威领导的小组在近10年间合成了11种新核素，进行了比较系统的衰变谱学研究，与近代物理研究所的高自旋态研究成果一起荣获2011年国家自然科学奖二等奖。这些成果都是在比较落后的实验条件下取得的，老一辈研究人员专心致志、吃苦耐劳、坚韧不拔等优良品质起了很大作用。

工欲善其事 必先利其器

超重元素的合成是一项相当艰巨的基础研究，也是一个国家综合实力在科技领域的具体体现。当向着原子核存在的极限—滴线与超重方向前进时，所涉及核素的生成截面越来越低，寿命越来越短，原来使用的传统技术已不能满足实验要求。30年前，在我国刚布局新核素合成研究时，世界先进核物理实验室将质子滴线核与超重核作为主攻目标，纷纷建造选择性高、传输效率高，适用于研究产生截面低（pb量级）、寿命短（微秒量级）目标核的电磁分离谱仪。德国的重离子研究中心（GSI），俄罗斯的联合核研究所（JINR），日本的理化学研究所（RIKEN），瑞士的保罗谢尔研究所（PSI），美国的劳伦斯伯克利（LBNL）、阿贡（ANL）和橡树岭（ORNL）三家国家实验室，芬兰的于韦斯屈莱大学（JYFL）等实验室都建造了充气或真空的电磁分离谱仪，电磁分离谱仪成为加入国际超重俱乐部的标配仪器设备。

根据自身的实验条件，近代物理研究所一直将超重核研究作为一个重要的研究方向。詹文龙院士领导的小组设计了反冲核充气分离谱仪，谱仪的二极和四极磁铁于2008年安装完成。甘再国研究员领导的小组从一堆裸磁铁开始，建立了谱仪充气系统、转靶系统、探测和数据获取系统，在对充气谱仪实际经验为零的基础上开始了调试，这个阶段充满了各种状况和挫折。在束调试时，甘再国经常守在实验室连续两三天不合眼。经过三年的试错、摸索，基本摸清了充气谱仪的各种参数，于2011年合成了第110号元素的核素-271，验证了其衰变性质，表明我国具备了开展超重核研究的实验条件，这是迄今为止在国内合成的最重的核素。

轻锕系核区的新突破

在逐渐摸透充气谱仪脾性的基础上，甘再国小组接连合成锕-205、铀-215、铀-216三个极缺中子新核素。

近几年，为了开展短寿命核素研究，进一步完善超重谱仪上的测量条件，系统降低了电子学噪声，使用了双面硅条探测器和上升时间极快的前放，并采取有效的冷却措施，α粒子能量分辨提高到2万电子伏左右，达到世界一流水平。开发出数字化波形采样数据获取系统和波形分析技术，将可以研究的核寿命从毫秒量级降到纳秒量级。2016年合成短寿命的新核素镎-223、镎-224，其中镎-223只有约2微秒，它的子核镤-219是核素图上寿命最短的α衰变核素，只有约60纳秒。建立了镎-223→镤-219→锕-215→钫-211完整的α衰变链，也是首次实验建立镤-219的α衰变链。建立衰变链是核素识别的关键。2017年科研人员又合成了最轻的两个镎同位素镎-219、镎-220，其中镎-219的质子分离能已从正值变为负值，由此确定了镎元素的质子滴线，这是截至目前实验上所确认的最重的质子滴线。

▲反冲核充气分离谱仪

壳结构是超重元素能够存在的关键，如果没有壳效应，最重的元素不会超过第100号元素。关于是否存在Z=92的质子亚壳，学术界在理论上长期以来一直存在争议。近代物理研究所得到的镎-219、镎-223的实验数据都不支持Z=92亚壳的存在，有效甄别了预言超重元素的众多理论模型。

待耕耘的大片处女地

目前，我们已知道从氢到铁元素的合成机制和天体场所，但比铁重的元素的来源尚不清楚。因此，“从铁到铀的元素是如何产生的”被列为21世纪待解决的11个重大物理问题之一。普遍接受的观点是，宇宙中约一半的从铁到铋的元素以及原子量大于209的全部元素，是通过快中子俘获过程产生的。快中子俘获过程涉及丰中子核区的大批未知核素。但目前我们尚不能确定快中子俘获过程发生的天体环境和场所（最可能的天体场所是双中子星并合或超新星爆发）。

可以期望，基于下一代大科学装置强流重离子加速器装置HIAF（由近代物理研究所负责建造的国家“十二五”大科学装置），利用我们新研制的通用实验设备，将在超重核区和重丰中子核区大片处女地上耕耘，探索回答有关最重元素和宇宙演化等基本科学问题。