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祝贺!我国3个新核素合成研究再添硕果—— 锇-160、钨-156和锕-203

2024-02-18 08:31     来源:中国科学院近代物理研究所     放射性核素原子核核物理
我国新核素研究进入新核区

原子核是由质子和中子组成的量子多体系统。不同数量的质子和中子,构成了具有不同性质的原子核,科学家们把它们称为核素。合成和研究新核素,不仅对认识物质结构具有重要意义,而且为理解天体环境的演化提供重要信息,是探索自然奥秘的重要手段。 新核素锇-160、钨-156研究成果于2月15日以亮点文章编辑推荐(Editors’ Suggestion)的形式发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上,并被美国物理学会的Physics杂志在线报道。 该研究首次明确给出了中子数为82的中子壳在缺中子核素一侧的演化情况,同时使我国的新核素研究进入一个新的核区。

远离β稳定线的原子核壳结构的演化一直是核物理学研究的热点问题。已有研究表明,在核素图的丰中子一侧出现了传统幻数消失和新幻数出现的现象,这引起了研究人员的广泛关注。在缺中子核区,新核素合成与α衰变性质测量是研究壳结构及其演化的有效途径之一。 依托兰州重离子加速器,研究团队利用充气反冲核谱仪SHANS,通过熔合蒸发反应合成了锇-160和钨-156两个新核素。研究发现,锇-160(中子数为84)具有α放射性,而钨-156(中子数为82)具有β+衰变的放射性。团队测量了锇-160的α衰变粒子能量、半衰期及钨-156的半衰期等性质。

图 新核素锇-160和钨-156在核素图上的位置

通过系统分析新测量数据和已有数据,研究人员发现中子数为84、85的同中子素的α衰变约化宽度从质子数为68到76都呈现规律的下降趋势。这表明,随着原子序数的增加,中子数为84、85的同中子素的α粒子预形成概率变小。研究团队认为上述现象是由中子数为82的壳效应增强引起的,该解释也得到了三种不同原子核质量模型的支持。

图 (a) 偶质子和(b)奇质子N=84、85同中子素的α衰变约化宽度随原子序数的变化情况。(c) 根据AME2020提取的N=82中子壳隙与三种不同理论模型的比较。

进一步的研究显示,中子数为82的中子壳效应增强的原因在于不断逼近可能存在的双幻核——铅-164 (质子数为82、中子数为82)。尽管铅-164在质子滴线外很远,但增强的壳效应有可能让它成为一个束缚或者准束缚的原子核。

本工作由近代物理所超重核与核结构室联合中国科学院大学、先进能源科学与技术广东省实验室、山东大学、中山大学、广西师范大学、中国科学院理论物理研究所、同济大学的研究人员合作完成。

验证极低反应截面条件下目标核的合成和探测能力

此外,近代物理所超重核与核结构室联合中国科学院大学、先进能源科学与技术广东省实验室、中国科学院理论物理研究所、同济大学、广西师范大学、俄罗斯联合核子研究所的研究者合成了新核素锕-203,相关成果于2月2日在线发表在Physics Letters B上。 研究团队利用中国超重元素研究加速器装置(CAFE2)提供的钙-40束流,在充气反冲核谱仪(SHANS2)上通过熔合蒸发反应成功合成出新核素锕-203,并测量了其α粒子能量和半衰期。根据新的实验数据,研究团队分析认为锕-203的α衰变宽度的增强可能是由于闯入轨道引起的形变造成的。

图 充气反冲核谱仪(SHANS2)

锕-203的合成概率非常低,实验测量的合成截面仅为0.13皮靶。也就是说,如果单位面积(1cm2)上只有一个靶原子核,只有当入射粒子撞击上10-37cm2的面积时,才可以产生一个目标核。该新核素的发现验证了极低反应截面条件下目标核的合成和探测能力,为即将开始的新元素合成实验奠定了基础。

现代核理论预言,核素图上能够存在的原子核至少有7000多种,而人类目前发现的原子核只有约3400种。

经过30多年的努力,近代物理所的科学家们依托兰州重离子加速器和中国超重元素研究加速器装置已合成了38种新核素。

图 新核素合成研究团队


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