作者:刘晓倩 来源:中国科学报 发布时间:2017/8/23 9:28:12
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探知微观 心系寰宇
中科院近代物理所面向世界科技前沿实践录

■本报记者 刘晓倩

扩展核素存在版图、研究原子核的结构和性质、探究物质微观结构、探索元素起源、探知恒星演化规律……

中科院近代物理所核物理基础研究工作,围绕着彩虹般的核素图展开。

合成新核素

他们捕捉宇宙起源核心数据

翻开一张核素图,中科院近代物理所所长助理、原子核结构研究组组长周小红研究员说:“原子核是构成我们生存环境中所有物质的核心。人身体重量的99.97%是原子核,剩下的一点点是电子。”理论预言,自然界存在着约8000种原子核,其中稳定的原子核大约只有288种。经过近百年的努力,科学家仅在实验室制造出约3000种核素,总共测量了2200多种核素的质量,因此制造出新的原子核并精确测量它们的质量依然是各国科学家的不懈追求和梦想。

周小红介绍,原子核物理研究的首要目标是合成新的原子核,扩展核素存在版图,进而研究原子核的结构和性质,探索原子核存在的极限。高精度短寿命原子核质量测量是理解奇特核结构和宇宙中化学元素起源的核心数据,也是近代物理所面向世界科技前沿的重要方向之一,代表了国际最高水平。

2015年2月,兰州重离子加速器为超重终端提供氩离子束流,连续240小时保持稳定,最终合成了两种新核素——铀-215和铀-216。

回忆那“打仗”一般忙碌的10天,周小红说,束流好似炮弹,一秒钟可以打出100万个不稳定的原子核,研究小组利用重离子加速器提供的强流重离子束轰击特制的薄靶材料,当束流粒子与靶核之间发生熔合反应,再蒸发掉几个中子后,未知核素也就产生出来。这好比大鱼吃小鱼的游戏,大鱼吃掉小鱼或者虾米以后,自然会变成更大的鱼。

但是,能打出想要的极短寿命原子核的概率很低。一次实验要花一年时间准备,打靶观测分析二十天左右,“运气好的话,一天能打出一个新原子核。运气不好,二十天一无所获。”周小红说。接下来,科研人员需要从1000亿个原子核中找出一个有用的,相当于在银河系中找到一个星体,在腾格里沙漠里找到一根针。为此,科研人员建立了单个原子核灵敏的实验鉴别技术,首创了“质子—伽马”符合鉴别核素方法。

超重核研究组组长甘再国研究员算得上核物理研究的“老兵”,近30年与原子核打交道,每一次新的发现都让他很激动。

“这个看起来像!”“很有可能是。”2011年冬天,连续20天的实验,在没有暖气的数据获取室,甘再国和同事们兴奋地发现了“疑似”目标。

十几个人迅速聚拢起来,对着一排显示器上的数据曲线认真辨别,在加入合适的条件后,超重核素Ds出现了!

“高兴,很高兴。”甘再国脸上露出了笑容,除了高兴,没有其他更合适的词形容当时的心情。

1996年,合成重新核素235Am;2000年,合成超重核素259Db;2004年,合成超重核素265Bh ;2014年,合成重新核素205AC;2015年,合成重新核素215U、216U。甘再国如数家珍,每次实验,研究小组倒班守在仪器旁,一守就是十几二十天,合成的新核素就像他们刚刚诞生的孩子。

在核素图上,超重区目前还是很小的一部分。因为超重核的寿命很短,很难被合成并捕捉,但它又是理解奇特核结构和宇宙中化学元素起源的核心数据,对原子核存在极限的探索,以及对自然界中最重原子核的寻找,一直是人们努力追寻的科学问题。

测量核质量

他们探知天体中的元素起源

短寿命放射性原子核质量测量,是核结构及核天体物理研究的重要领域。它们的重量很轻,寿命也相当短。以钴-51为例,2万亿亿个钴-51比一粒小米还轻,寿命只有100毫秒。“眨一下眼睛的功夫这个原子核已经死亡十次了。”近代物理所实验物理中心主任张玉虎研究员说。

要在极短的时间内称量出如此轻的原子核质量在技术上是一个挑战,“这相当于在一架满载乘客的飞机上,称量出一个乘客所带U盘的重量。”同时担任近代物理所精细核谱学研究组组长的张玉虎说,首先要有一个高灵敏度的“秤”。

目前,世界上最灵敏的“秤”是离子阱,但是对于寿命很短的原子核却无能为力。从2009年开始,近物所的科技人员利用兰州重离子冷却储存环CSRe,制造出了可以测量短寿命原子核质量的“秤”——等时性质量谱仪,其精确度可以达到10-7

研究人员将镍-58原子核放入加速器,加速到光速的三分之二,打靶(将其敲碎)产生目标核——钴-51并将其引入实验环,测量其循环周期,获取海量数据,再经过一年的数据处理和分析,得到了稀有核素的质量。除此之外,研究小组还在极缺(丰)中子区,首次精确测量了20余个原子核的质量,提高了50多个原子核的质量精度。

张玉虎介绍,短寿命放射性原子核的质量在核结构及核天体物理研究中都具有非常重要的作用。从微观看,在已知原子核质量的前提下,可以研究原子核的结构,提取核内有效相互作用的信息。从宏观看,研究天体环境中化学元素如何产生,需要的最重要的知识是不稳定原子核的质量,因此,原子核的质量数据在核天体物理领域具有重要的应用价值。

历时60年,三代科研人员,三代加速器提供的实验条件,近代物理所合成了30余种新核素,首次测量出20余个原子核的质量,新同位素合成和短寿命原子核质量测量形成了我国核物理优势研究方向。建立了单个原子核灵敏的实验鉴别技术、首创了“质子—伽马”符合鉴别核素方法、核数据被国际原子能机构核数据库收录,为全世界核科技工作者提供基础数据,取得了一批重要的物理成果,解决了一系列重离子物理领域的基础性重大科学问题。

《中国科学报》 (2017-08-23 第4版 综合)
 
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