填补核素“谱系”空白 我国科学家向新元素合成加速迈进

cnofor

    合成与研究新核素是原子核物理研究的前沿热点，对于探索原子核的存在极限、揭示新物理现象、深化对物质结构的理解具有重要意义。这一领域国际竞争激烈，体现了国家综合科技创新能力。
    中国科学院近代物理研究所超重核研究团队，近日利用兰州重离子加速器，首次成功合成新核素锫-235及其阿尔法衰变子核镅-231。该研究为理解重核区原子核的核结构、衰变特性等提供了重要实验依据，进一步拓展了核素的认知版图。相关成果发表于《物理快报B》。
    填补核素“谱系”空白
    什么是核素？论文作者、近代物理所研究员王建国介绍，由确定数目的中子和质子构成的原子核被称为核素，它是原子核物理和核化学中最基本的研究单元。核素有两种来源，即天然在地球上存在和实验室中人工合成。
    在超重核研究团队办公室里，记者看到一张核素图。图上横坐标为中子数，纵坐标为质子数。核素图上每一个坐标都代表一种核素，构成了原子核物理的几乎所有研究对象。
    自然界中存在的、相对稳定的核素集中在核素图上一条狭长的区域内，通过这一区域的中心所作的一条曲线称作β稳定线，其他核素都是具有放射性的不稳定核素。
    根据理论预测，自然界中可能存在约8000种核素。目前已被发现的3400多种核素都在核素图上标明了自己的位置，而那些尚未被标记的空白区域，正是核物理学家们不断探索的前沿。
    “这次新合成的锫-235与镅-231位于缺中子锕系核区。”王建国指着核素图的右下区域说道。
    据介绍，该区域远离β稳定线，新核素产生概率非常低、探测和捕捉难度极大，此前该区域国际上已有十多年没有新的发现。我国研究团队的此次突破，正是瞄准了这一国际前沿领域，用自主研发的大科学装置和创新实验方法，打开了探索的突破口。
    两年攻关“捕捉”新核素
    单个原子核看不见、摸不着，科学家如何确认它们的存在？答案是依靠原子核放射性衰变的独特基因。
    每个不稳定的原子核都会按照自身规律衰变，形成专属的“衰变链”：母核衰变成子核，子核再衰变成孙核。每种核的衰变能量和时间都是独一无二的，就像每个人的指纹一样。
    先进的探测器阵列能够实时捕捉原子核衰变时释放的信号。通过完整记录衰变链，科学家可以反向推导，确认最初合成的正是那个目标新核素。
    “这个探测过程就像做基因测序。”团队成员、研究员张志远解释，“通过子核和孙核的‘身份信息’，我们可以反推母核的存在。如果这个衰变链是确实存在的，并且被探测装置完整捕捉到，那么新核素就得到了确认。”
    原理看似容易，但要在微观的原子核世界里真正定位一个新核素，相当于在茫茫宇宙中寻找一颗特定的星辰，需要经过无数次实验，加之原子核衰变模式多样且相互竞争，想要捕捉并鉴别出新核素，对实验设备和探测技术的要求极高。
    从实验设计到实施，从数据分析再到文章撰写，研究人员此次合成的两种新核素耗时两年有余。
    在实验过程中，布局在近代物理所的兰州重离子加速器发挥了重要作用。该装置可以实现全天24小时运行，研究人员设置好相关参数后，电脑程序即控制设施高效开展轰击实验，不断对实验数据进行分析和整理。
    王建国介绍，加速器提供了稳定且极高流强的氩-40束流。“通俗来讲，束流好似炮弹，加速器就好比大炮，一秒钟可以打出18万亿个原子核。我们利用束流轰击高纯度的金靶，通过熔合蒸发反应，让两种原子核在高速碰撞中融合成实验的目标新核素。这些新合成的原子核利用一种叫充气反冲核谱仪的磁分离器进行高效选择，最终在探测器上成功捕捉到锫-235与镅-231的踪迹。”
    记者了解到，研究团队还运用了高灵敏的单原子探测鉴别技术，在近一个月的实验中，观测到三条能量-位置-时间高度关联的阿尔法衰变链，首次精准测量出锫-235和镅-231的阿尔法衰变粒子能量，以及镅-231的半衰期和阿尔法衰变分支比，这些精准的实验数据，为后续研究打下了坚实的基础。
    基础研究蓄力前行
    自20世纪90年代以来，近代物理所团队已在核素合成领域耕耘了30余年。几代研究人员接续攻关，在基础前沿研究、关键核心技术自主可控、科技赋能生产力等方面取得积极进展，截至目前累计发现了44种新核素，其中近十年来发现的新核素数量占了一半以上。
    团队成员、研究员甘再国介绍，新核素研究在近十年迎来成果“井喷”，得益于国家对基础研究的持续投入、大科学装置的不断升级和研究人员的持续深耕。在国家的支持下，兰州重离子加速器的束流强度提升了整整一个数量级，大幅提升实验效率；研究团队发展了新型的数字化电子学技术，获取信号的能力从微秒级提升至纳秒级，能够捕捉到转瞬即逝的微弱信号。
    技术的飞跃发展和研究人员的接续努力，让我国在新核素合成领域跻身国际前列。特别是在缺中子锕系核区这一国际公认的难点区域，近代物理所近十年发现的核素数量，已经处于国际领先水平。
    谈及新核素的应用未来，研究人员表示，基础研究的特点之一在于其前瞻性、战略性需求导向。例如，烟雾报警器是依靠镅-241的衰变机制发挥自动报警作用，镅-241是由美国科研团队在1944年发现并合成的新核素。而钚-239也是通过人工核反应合成的核素。
    “做它之前，谁都不知道有什么用，但一旦做成了，也许有很大的应用价值。许多影响世界的重大应用，都源于最初看似‘无用’的探索。”张志远说，随着科技不断进步，未来这些新核素或许能在癌症治疗、航天探测等领域找到用武之地。
    研究人员表示，在原子核物理的探索之路上，每一个新核素的合成，都是一次向微观世界的深入迈进，不断扩展人类对物质世界的认知边界，最终引领人们迈向合成新元素的终极目标。
    “合成一个新元素，其实就是找它的原子核。每一个新核素也可以被看成是合成新元素前的重要储备，此次成果为我国新元素合成研究积累了重要经验。”甘再国说。

来源：经济参考报