中科院近代物理所面向世界科技前沿实践录

■我们的记者刘晓倩

拓展核素的领域，研究原子核的结构和性质，探索物质的微观结构，探索元素的起源，探索恒星演化的规律...

中国科学院现代物理研究所的核物理基础研究以彩虹核素图为中心。

新核素的合成

它们捕捉宇宙起源的核心数据

谈到核素图，中国科学院现代物理研究所副所长、核结构研究小组组长周晓红说:“核是我们生活环境中所有物质的核心。人体重量的99.97%是核，其余是电子。”理论预测自然界中大约有8000种原子核，其中只有288种是稳定的。经过近百年的努力，科学家们在实验室里只产生了大约3000种核素，总共测量了2200多种核素的质量。因此，制造新的原子核并精确测量它们的质量仍然是各国科学家不懈的追求和梦想。

周晓红介绍说，核物理研究的主要目标是合成新的原子核，扩大核素存在的范围，进一步研究原子核的结构和性质，探索原子核存在的极限。高精度短寿命核质量测量是理解宇宙中奇怪的核结构和化学元素起源的核心数据。它也是现代物理学面向世界科技前沿的重要方向之一，代表着世界最高水平。

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

回顾“战争”的10个忙碌的日子，周晓红说光束就像一个壳，一秒钟能产生100万个不稳定的原子核。研究小组用重离子加速器提供的重离子束轰击一种特殊的薄靶材料。当粒子束和靶核之间发生聚变反应，几个中子蒸发时，也会产生未知核素。这就像大鱼吃小鱼的游戏。大鱼吃了小鱼或虾后，自然会变成大鱼。

然而，产生预期寿命极短的原子核的可能性非常低。一个实验需要一年时间来准备，拍摄观察分析大约需要20天，“运气好的话，有一天可以击中一个新的原子核。运气不好，20天内什么都没有。”周晓红说。接下来，研究人员需要从1000亿个原子核中找到一个有用的原子核，这相当于在银河系中找到一颗恒星，在腾格里沙漠中找到一根针。为此，研究人员建立了一种灵敏的单个核的实验识别技术，并启动了一种用于核素识别的“质子-伽马”符合方法。

超重核研究小组组长甘在国教授被认为是核物理研究的“老手”。他研究原子核已经将近30年了，每一个新发现都让他兴奋不已。

“看起来是这样！”“很有可能。”2011年冬天，在连续20天的实验之后，甘扎果和他的同事们在没有供暖的数据采集室内兴奋地发现了“可疑”目标。

十几个人迅速聚集在一排监视器上，仔细辨认数据曲线。添加适当的条件后，超重核素Ds出现了！

快乐，非常快乐。甘再国笑了。除了幸福，没有更合适的词来描述当时的心情。

1996年，235点；被合成为放射性核素。2000年，259Db超重核素的合成。2004年，合成了265BH的超重核素。2014年，205空调；被合成为放射性核素。2015年，合成了再核素215铀和216铀。在每一次实验中，研究小组都要在仪器旁观察10到20天，合成的新核素就像他们新生的孩子一样。

在核素图上，超重区域仍然是一小部分。因为超重核的寿命很短，很难合成和捕获，但它也是理解宇宙中奇怪的核结构和化学元素起源的核心数据。探索核存在的极限和寻找自然界中最重的核一直是人们努力追求的科学问题。

测量核质量

他们确定天体中元素的来源。

短命放射性核的质量测量是核结构和核天体物理学研究的一个重要领域。它们重量很轻，寿命也很短。以钴-51为例。200万亿钴-51比一粒小米还轻，它的寿命只有100毫秒。"一眨眼的功夫，细胞核已经死亡十次了."现代物理研究所实验物理中心主任研究员张玉虎说。

从技术上来说，在很短的时间内称出如此轻的核质量是一个挑战，“这相当于称出一架载满乘客的飞机上一名乘客携带的u盘的重量。”张玉虎，也是现代物理研究所精细核光谱学研究小组的负责人，说首先需要一个高度敏感的“尺度”。

目前，世界上最敏感的“尺度”是离子阱，但它对寿命很短的原子核无能为力。从2009年开始，近地科学研究所的科学家已经使用兰州重离子冷却储存环(CSRe)创建了一个“等时质谱仪”，可以测量短命原子核的质量，精确度为10-7。

研究人员将镍-58核放入加速器，加速到光速的三分之二，瞄准(粉碎)产生目标核-钴-51，并将其引入实验环，测量其周期，获得大量数据，经过一年的数据处理和分析，获得稀有核素的质量。此外，研究小组还首次在极贫(丰)中子区精确测量了20多个原子核的质量，提高了50多个原子核的质量精度。

张玉虎介绍说，短寿命放射性核的质量在核结构和核天体物理学研究中起着非常重要的作用。从微观角度看，在了解原子核质量的前提下，可以研究原子核的结构，提取原子核内有效相互作用的信息。从宏观的角度来看，研究天体环境中化学元素是如何产生的最重要的知识是不稳定的核质量。因此，核质量数据在核天体物理领域具有重要的应用价值。

60多年来，三代研究人员和三代加速器提供了实验条件。现代物理研究所已经合成了30多种新核素，并首次测量了20多种核素的质量。新同位素的合成和短命核质量的测量已成为我国核物理的主要研究方向。建立了单个核的敏感实验识别技术，开创了核素的“质子-伽马”符合识别方法，核数据被纳入原子能机构核数据库，为世界各地的核科学技术工作者提供了基础数据，取得了一系列重要的物理成就，解决了重离子物理领域的一系列重大基础科学问题。

《中国科学日报》(第四版综合版，2017年8月23日)