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超重核合成途径[量子分子动力学之家]
超重核合成途径
 更新时间:2009/11/14 13:41:25  点击数:2738
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根据广西师大研究小组的工作以及中科院理论物理所赵恩广研究员的报告整理而成。

超重元素的合成是核物理界的前沿问题之一。我们知道自然界里面最重的原子核为铀,其原子序数Z=92,大于92号的原子核全是人工合成的。显然的问题就是最重的原子核是多大?有没有上限?这些原子核的化学性质如何,还是按照我们已知的元素周期表的规律往下接着排吗?这些新的原子核对人类究竟有什么用?很多问题都是需要科学家来回答。

首先我们看一下核素图。我们知道原子核是由质子和中子组成的。如果我们把原子核按横坐标是中子数,纵坐标是质子数排起来,就形成核素图。核素图上黑色的点形成的那条长线就是beta稳定线,线上的原子核都比较稳定。而中子数过多或者过少,原子核都不稳定,两边的极限就是滴线。而右上角Z=114附近根据理论预言存在着一批较稳定的原子核,这些核就是我们今天讨论的超重核。如果我们将原子核的稳定性按高度来排,就是右下角的那个示意图。左边一个长长的山脉可以看成是大陆,周围都是一片海。往右上方走可以看到有一个海峡,过了海峡就是超铀元素区,之后又一个海峡,再过去就是人们正在努力寻找的超重岛。谈到超重核的用处,现在还很难说,就像“一个刚出生的婴儿有什么用?”一样。这块儿只是简单的分析一下:超铀区元素的合成以及应用可以说是人类发展史上的一个里程碑,核武器以及核电站的出现。那么超重元素的合成以及应用究竟会给人类带来多少影响还很难说,估计也会有很大的影响。

下面再简单聊一下目前超重核的合成途径。目前国际上有几个比较大的研究单位可以开展超重核合成实验,1)德国的GSI, 他们合成了107号-112号元素,譬如目前已经命名的111号元素Rg,就是纪念德国科学家伦琴而命名的。2)俄罗斯的Dubna, 他们采用48Ca轰击超铀区原子核,现在合成到了118号元素,但是他们所合成的超重核在鉴别方面还存在一定的困难,需要其他实验室进一步的重复验证;3)美国的伯克利研究所,也是很有实力的一个研究所。107号元素之前的那些新核素很多都是该研究所合成出来的。但是在1999年左右他们研究所声称合成出来118号元素,最后表明是学术造假,从此该研究所名声狼藉;4)日本的Riken, 合成出来的113号元素;5)法国的Ganil,也比较有实力;6)我们国家的中国科学院近代物理研究所(兰州),合成出来105号和107号元素的两个新的核素。目前超重核合成的主要途径是重离子熔合反应,就是一个较轻的原子核轰击一个重的原子核,通过熔合形成更重的原子核。这个熔合过程看似简单,其实非常复杂,核物理学家研究了很多年也还是有很多地方不清楚。理论工作者一个主要的目的就是弄清楚这个过程,为实验提供参考。由于这一类实验非常耗时也非常耗钱,举两个例子,譬如Dubna合成的超重核都是采用48Ca这个核,1克48Ca的造价大约是20万美金。另外由于超重核形成截面非常小,加速器需要开很长时间才能逮着几个原子。日本为合成113号元素加速器开了大约半年时间,有效束流88天。而兰州近物所新建的重离子储存环的的运行费用大约是每小时2万元人民币。可见合成一个原子需要的成本是很高的,而如果加速器能量设置有稍许的不合适,则很难合成超重核,所以理论指导非常重要。下面这个图是改进的量子分子动力学模拟48Ca轰击铅靶的密度时间演化图。从这个图我们可以大致了解熔合过程需要的时间,熔合反应机制等。这方面的工作正在开展。相关介绍请看

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