合成與研究新核素是原子核物理研究的前沿熱點，對于探索原子核的存在極限、揭示新物理現象、深化對物質結構的理解具有重要意義。這一領域國際競爭激烈，體現了國家綜合科技創新能力。
中國科學院近代物理研究所超重核研究團隊，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原子核的核結構、衰變特性等提供了重要實驗依據，進一步拓展了核素的認知版圖。相關成果發表于《物理快報B》。
填補核素“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，由確定數目的中子和質子構成的原子核被稱為核素，它是原子核物理和核化學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。
在超重核研究團隊辦公室里，記者看到一張核素圖。圖上橫坐標為中子數，縱坐標為質子數。核素圖上每一個坐標都代表一種核素，構成了原子核物理的幾乎所有研究對象。
自然界中存在的、相對穩定的核素集中在核素圖上一條狹長的區域內，通過這一區域的中心所作的一條曲線稱作β穩定線，其他核素都是具有放射性的不穩定核素。
根據理論預測，自然界中可能存在約8000種核素。目前已被發現的3400多種核素都在核素圖上標明了自己的位置，而那些尚未被標記的空白區域，正是核物理學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。”王建國指著核素圖的右下區域說道。
據介紹，該區域遠離β穩定線，新核素產生概率非常低、探測和捕捉難度極大，此前該區域國際上已有十多年沒有新的發現。我國研究團隊的此次突破，正是瞄準了這一國際前沿領域，用自主研發的大科學裝置和創新實驗方法，打開了探索的突破口。
兩年攻關“捕捉”新核素
單個原子核看不見、摸不著，科學家如何確認它們的存在？答案是依靠原子核放射性衰變的獨特基因。
每個不穩定的原子核都會按照自身規律衰變，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一無二的，就像每個人的指紋一樣。
先進的探測器陣列能夠實時捕捉原子核衰變時釋放的信號。通過完整記錄衰變鏈，科學家可以反向推導，確認最初合成的正是那個目標新核素。
“這個探測過程就像做基因測序。”團隊成員、研究員張志遠解釋，“通過子核和孫核的‘身份信息’，我們可以反推母核的存在。如果這個衰變鏈是確實存在的，并且被探測裝置完整捕捉到，那么新核素就得到了確認。”
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，相當于在茫茫宇宙中尋找一顆特定的星辰，需要經過無數次實驗，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，對實驗設備和探測技術的要求極高。
從實驗設計到實施，從數據分析再到文章撰寫，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揮了重要作用。該裝置可以實現全天24小時運行，研究人員設置好相關參數后，電腦程序即控制設施高效開展轟擊實驗，不斷對實驗數據進行分析和整理。
王建國介紹，加速器提供了穩定且極高流強的氬-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，通過熔合蒸發反應，讓兩種原子核在高速碰撞中融合成實驗的目標新核素。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。”
記者了解到，研究團隊還運用了高靈敏的單原子探測鑒別技術，在近一個月的實驗中，觀測到三條能量-位置-時間高度關聯的阿爾法衰變鏈，首次精準測量出锫-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，這些精準的實驗數據，為后續研究打下了堅實的基礎。
基礎研究蓄力前行
自20世紀90年代以來，近代物理所團隊已在核素合成領域耕耘了30余年。幾代研究人員接續攻關，在基礎前沿研究、關鍵核心技術自主可控、科技賦能生產力等方面取得積極進展，截至目前累計發現了44種新核素，其中近十年來發現的新核素數量占了一半以上。
團隊成員、研究員甘再國介紹，新核素研究在近十年迎來成果“井噴”，得益于國家對基礎研究的持續投入、大科學裝置的不斷升級和研究人員的持續深耕。在國家的支持下，蘭州重離子加速器的束流強度提升了整整一個數量級，大幅提升實驗效率；研究團隊發展了新型的數字化電子學技術，獲取信號的能力從微秒級提升至納秒級，能夠捕捉到轉瞬即逝的微弱信號。
技術的飛躍發展和研究人員的接續努力，讓我國在新核素合成領域躋身國際前列。特別是在缺中子錒系核區這一國際公認的難點區域，近代物理所近十年發現的核素數量，已經處于國際領先水平。
談及新核素的應用未來，研究人員表示，基礎研究的特點之一在于其前瞻性、戰略性需求導向。例如，煙霧報警器是依靠镅-241的衰變機制發揮自動報警作用，镅-241是由美國科研團隊在1944年發現并合成的新核素。而钚-239也是通過人工核反應合成的核素。
“做它之前，誰都不知道有什么用，但一旦做成了，也許有很大的應用價值。許多影響世界的重大應用，都源于最初看似‘無用’的探索。”張志遠說，隨著科技不斷進步，未來這些新核素或許能在癌癥治療、航天探測等領域找到用武之地。
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，不斷擴展人類對物質世界的認知邊界，最終引領人們邁向合成新元素的終極目標。
“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驗。”甘再國說。（記者 張文靜 任延昕）
轉自：經濟參考報
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