第21卷第1期物理學(xué)進(jìn)展Vol.21 ,No.12001年3月PROGRESS IN PHYSICSMar.2001文章編號(hào):1000-0542 2001 )01-0029-16超重核合成進(jìn)展張豐收123明照宇12 靳根明12I(蘭州重離子加速器國(guó)家實(shí)驗(yàn)室原子核理論研究中心蘭州730000)2(中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所蘭州730000 )3(中國(guó)高等科學(xué)技術(shù)中心北京100080 )摘要:介紹了超重核合成的歷史和現(xiàn)狀對(duì)現(xiàn)有的超重核合成的實(shí)驗(yàn)情況和理論模型做了評(píng)述指出了在國(guó)內(nèi)利用現(xiàn)有設(shè)備和放射性核束裝置開展超重核合成可能的方案。關(guān)鍵詞:超重核泠熔合熱熔合放射性核束中圖分類號(hào): 0571.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A0引言1999初在美國(guó)勞倫茨貝克萊國(guó)家實(shí)驗(yàn)室,利用88-英寸回旋加速器進(jìn)行了86 Kr( 449 MeV )+ 208pB 冷熔合"反應(yīng)采用貝克萊充氣分離器BGS觀測(cè)到了由6個(gè)a粒子組成發(fā)射鏈的3個(gè)事件,首次確定了Z= 118、116超重核的產(chǎn)生和衰變( Z= 114超重核的同位素核曾由俄羅斯杜布納聯(lián)合核子研究所通過(guò)熱熔合”反應(yīng)產(chǎn)生發(fā)表在1999年的自然雜志上1]),Z= 112、110、108和106的同位素核也是首次觀測(cè)到的。其研究結(jié)果已于1999年6月發(fā)表在美國(guó)物理評(píng)論快報(bào).上[2]。這項(xiàng)研究對(duì)核物理、物理學(xué)和化學(xué)乃至整個(gè)科學(xué)界產(chǎn)生巨大的影響31。國(guó)際多家新聞媒體對(duì)此事做了報(bào)道,認(rèn)為這可能是近年來(lái)核物理研究的重大研究成果將對(duì)核物理研究甚至科學(xué)技術(shù)的發(fā)展起到促進(jìn)作用。穩(wěn)定核的上限不但對(duì)原子核結(jié)構(gòu)而且對(duì)理解宇宙的結(jié)構(gòu)有十分重要的意義。另外,超重核的合成及其性質(zhì)研究對(duì)促進(jìn)科學(xué)發(fā)展也有十分重要的意義。超重核對(duì)化學(xué)家來(lái)說(shuō)將有新的化合物、對(duì)材料學(xué)研究將打開新材料的大門、對(duì)原子物理學(xué)家預(yù)言著有新原子產(chǎn)生、對(duì)工程師來(lái)說(shuō)有可能有新燃料。這一問(wèn)中國(guó)煤化工室-直致力于研究，的課題。MYHCNMHG收稿日期2000-9-20修收日期2000-10-20基金項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金( 19875068、19847002 )國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃G2000077407 )和中國(guó)科學(xué)院基金資助E- mail :sz百h方數(shù)據(jù). LZB. AC. CN0物理.學(xué)進(jìn)展21卷正如人們所知原子核的許多性質(zhì)如原子核的質(zhì)量和平均結(jié)合能可通過(guò)類比液滴模型來(lái)描述。然而液滴模型不能描述核內(nèi)質(zhì)子和中子的排列情況，這種排列確定了原子核的準(zhǔn)確性質(zhì)和準(zhǔn)確的結(jié)合能。和原子中電子的結(jié)構(gòu)一樣,原子核也呈現(xiàn)出殼效應(yīng)。對(duì)確定數(shù)目的質(zhì)子和中子幻數(shù)核具有穩(wěn)定的構(gòu)型。對(duì)雙幻核,中子和質(zhì)子都處于滿殼,因此具有特別高的結(jié)合能。4He、 160、40Ca、48 Ca和208 Pb是穩(wěn)定雙幻核的典型代表,而56 Ni、78 Ni、I00Sn、132Sn是不穩(wěn)定雙幻核。在自然界中是否存在比鈾更重的具有雙幻結(jié)構(gòu)的核一直吸引著科學(xué)界。同雙幻核208Pb一樣殼模型理論預(yù)言了超重核的存在208Pb的下一個(gè)雙幻核將是298114 ,它具有114個(gè)質(zhì)子、184個(gè)中子的雙幻核4?；赟trutinsky 方法S]所預(yù)言的Z= 114 ,N= 184核具有極強(qiáng)的殼修正能量和均勻的球形,這是穩(wěn)定雙幻核存在的重要條件67。基于Hatree-Fock計(jì)算發(fā)現(xiàn)在大質(zhì)量區(qū)最穩(wěn)定的超重核是z= 120或z= 1268-11]。這些理論計(jì)算預(yù)言在圍繞298114有一個(gè)穩(wěn)定島”298114處于島的中心。因?yàn)槔碚擃A(yù)言它們的半衰期很長(zhǎng)所以人們希望在自然界中找到它們,但到目前為止一直沒(méi)有成功,只能在實(shí)驗(yàn)室中憑借核反應(yīng)的手段來(lái)合成超重元素了。目前人們的探索主要集中在形變雙幻核的性質(zhì),如宏觀-微觀模型12~15]推廣的托馬斯-費(fèi)米模型16]自洽Hartree- Fock-Bogoliubov模型17]、Hartree Fock方法10]和相對(duì)論平均場(chǎng)方法18]。另外,已經(jīng)確認(rèn)中子星是由占絕大多數(shù)的中子和少量的質(zhì)子組成的、具有和太陽(yáng)質(zhì)量相當(dāng)?shù)暮俗芋w系。本文只局限于圍繞298114超重核的探索。到目前為止合成超重核的最成功的實(shí)驗(yàn)方法是先用重靶核進(jìn)行熔合蒸發(fā)反應(yīng)然后對(duì)蒸發(fā)余核反沖分離在余核植入位置靈敏探測(cè)器后憑借它的衰變鏈來(lái)判斷是否是超重核?；诖朔€(wěn)定和高強(qiáng)度的束流仍是實(shí)驗(yàn)的必備條件。九十年代中期,CSI發(fā)現(xiàn)了新的.超重核269110 272111 27112等這為超重核的研究開辟了新的一頁(yè)19~21]。289114 293118的發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)了人們合成超重核的信心但是這些核和人們所期待的由宏觀微觀理論模型計(jì)算出的Z= 114、Z=120或Z= 126中子數(shù)為184 雙幻核的超重島心還相距甚遠(yuǎn),不是人們預(yù)期的長(zhǎng)壽命的穩(wěn)定核。在對(duì)這些超重核的合成中人們利用了熱熔合和冷熔合兩種反應(yīng)機(jī)制來(lái)進(jìn)行。這兩種反應(yīng)機(jī)制的區(qū)別在于復(fù)合核形成中系統(tǒng)激發(fā)能的不同熱熔合就是在退激過(guò)程中要發(fā)射4~5個(gè)中子而冷熔合就是在退激過(guò)程中發(fā)射1 ~2個(gè)中子。在最初的超重核合成反應(yīng)中-般使用熱熔合方式。因?yàn)楫?dāng)時(shí)理論計(jì)算還不能很準(zhǔn)確地預(yù)言反應(yīng)過(guò)程中最佳入射能量和復(fù)合核的激發(fā)能數(shù)值。而到了最近幾年各種理論模型的建立和更現(xiàn)代探測(cè)設(shè)備的建造使超重核的認(rèn)識(shí)上了新的臺(tái)階。對(duì)于實(shí)驗(yàn)中所出現(xiàn)的各種能量都可以很精確地給出，可以采用冷熔合反應(yīng)來(lái)合成超重核。當(dāng)前關(guān)于超重核的理論預(yù)言多種多樣中國(guó)煤化工成超重核的最佳反應(yīng)體系以及最佳入射能量,在這種情況下超MHCNMH現(xiàn)在已知合成的超重核都是用全熔合反應(yīng)生成的彈核的最小入射能量必須要克服庫(kù)侖位壘，為了使復(fù)合核不發(fā)生裂變激發(fā)能也要盡可能地小這和入射能量就有很大的關(guān)系。所以選擇一個(gè)合適的入射能量是實(shí)驗(yàn)所必須的。在本文府第固部分對(duì)歷史上人們?cè)诔睾撕铣芍腥〉玫慕?jīng)驗(yàn)做一些評(píng)述在第三部1期張豐收等超重核合成進(jìn)展31分評(píng)述了超重核合成的理論模型。最后給出在國(guó)內(nèi)開展超重核合成特別是采用放射性.核束裝置來(lái)合成超重核的一-些建議。1歷史上已做的嘗試對(duì)于超重核的合成剛開始人們以為很簡(jiǎn)單，認(rèn)為超重核具有和U、Th相同的壽命,可以宏觀測(cè)量。這導(dǎo)致世界上多臺(tái)加速器的建造:如我國(guó)的HIRFL前蘇聯(lián)的Dubna、美國(guó)的Berkeley.前西德的GSI法國(guó)Orsay等都把超重核合成做為其主要研究方向。但到八十年代經(jīng)過(guò)世界范圍的尋找人們已清楚超重核的壽命很短并且很難產(chǎn)生人們企圖尋找其蹤跡和合成的愿望都成了泡影。作為一個(gè)領(lǐng)域超重核合成似乎停止了。正如人們所知到的一個(gè)關(guān)于超重核的實(shí)驗(yàn)首先要根據(jù)一個(gè)合適的理論模型來(lái)確定兩點(diǎn)( 1 )冶成超重核的性質(zhì)質(zhì)子數(shù)、中子數(shù)、半衰期及衰變道( 2 )特定體系的最佳入射能量和超重核的可能產(chǎn)生截面。隨著實(shí)驗(yàn)條件的不斷改變實(shí)驗(yàn)室合成超重核方面的工作取得了顯著的成績(jī)。在1974年當(dāng)?shù)?06號(hào)元素Sg合成后人們發(fā)現(xiàn)建立在以錒系元素為靶核的核反應(yīng)合成超重核的方法已經(jīng)到了盡頭。由于合成的核素越來(lái)越重而復(fù)合核的退激裂變幾率也隨著增強(qiáng)例如45 MeV時(shí)的熱復(fù)合核就容易進(jìn)行裂變退激。在最近的研究中人們利用了熱熔合和冷熔合兩種反應(yīng)。這兩種反應(yīng)的區(qū)別在于復(fù)合核形成中系統(tǒng)激發(fā)能的不同熱熔合就是在退激過(guò)程中要發(fā)射4~5個(gè)中子而冷熔合在退激過(guò)程中只發(fā)射1~2個(gè)中子。即使有了這許多經(jīng)計(jì)算所確定的量在花費(fèi)了大量的束流時(shí)間后發(fā)現(xiàn)超重核的幾率也很低。面對(duì)這些困難尋找超重核合成的方法在國(guó)際上一-些大型實(shí)驗(yàn)室一直沒(méi)有中斷幾十年來(lái)人們共合成了23( Z=93-112 ,114 ,116 ,118個(gè)超鈾元素,Berkeley. Dubna和GSI在這一領(lǐng)域的研究中取得不同程度的成功。1. 1Berkeley的情況合成L( Z=103)R( Z=104)后又用180(95 MeV )+ 249Cf-→263sg( Z= 106)+ 4n合成了sg( Z= 106)特別是合成的Z= 118、116把超重核合成的研究掀向高潮21。Berkeley合成Z= 118、116超重核的關(guān)鍵設(shè)備是配有ECR源的88-英尺的回旋加速器和充氣分離器BGS。88-英尺的回旋加速器是Lawrence設(shè)計(jì)的第三代回旋加速器,由于采用了ECR源,該加速器能夠加速?gòu)腍到U離子。另外采用ECR源不管對(duì)天然源還是增強(qiáng)源都增加了使用穩(wěn)定核稀有同位素的效率。如實(shí)驗(yàn)中使用的86K{ z=26 ,N=50)是Kr的最豐中子穩(wěn)定同位素采用了增強(qiáng)材料這導(dǎo)致加速器束流強(qiáng)度達(dá)到2x1012pps這是超重核Z=118合成的關(guān)鍵。超重MH中國(guó)煤化工關(guān)鍵之處是BCS其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。BGS具有非常卓越的分CNMH G點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)中,BCS，強(qiáng)磁場(chǎng)能夠?qū)Τ睾薢= 118聚焦并把超重核Z= 118和束流及其它反應(yīng)產(chǎn)物分開。由于彈靶每作用102次才產(chǎn)生1個(gè)超重核Z= 118 ,由此對(duì)探測(cè)設(shè)備有下面兩點(diǎn)要求即盡可能多的俘獲生成的超重核Z=118、沒(méi)有其它反應(yīng)產(chǎn)物打入探測(cè)器而導(dǎo)致本底計(jì)數(shù)增加。BGS的探測(cè)效率達(dá)到75 %是目前同類型探測(cè)器中效率最高的。分離出的超重核Z32物理學(xué)進(jìn)展21卷= 118被注入到固體硅條探測(cè)器通過(guò)電子學(xué)方法尋找該探測(cè)器中的a粒子并記錄其每次衰變的位置和能量。為了降低束流和其它反應(yīng)產(chǎn)物的本底影響在固體硅帶探測(cè)器前放置了一個(gè)薄的PPAC。這種探測(cè)器被用來(lái)區(qū)分注入原子導(dǎo)致的與束流有關(guān)的粒子和事件中具有很高的效率(達(dá)到99%)束流監(jiān)控棵測(cè)器柬流軌道真空腔探測(cè)器.靶'焦平面探測(cè)器四極磁鐵梯度場(chǎng)平直場(chǎng)PPAC磁鐵二極磁鐵EVR軌道圖1 Berkeley 的充氣分離器BGS采用88-英尺的回旋加速器提供86Kr束流轟擊208Pb 86Kr的入射能量為449 MeV稍高于庫(kù)侖位壘形成具有低激發(fā)能的重復(fù)合核。該復(fù)合核發(fā)射一個(gè)中子后最終形成293118即86Kx( 449 MeV )+ 208Pb-→293118+ n。BGS最終探測(cè)出產(chǎn)生了超重核293118 ,在其生成120μs后,Z=118 發(fā)射了一個(gè)a粒子衰變成為289116 289116通過(guò)發(fā)射a粒子接著衰變成28114。該a粒子發(fā)射鏈最終衰變成為269sg(Z= 106)在11天的實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到了3個(gè)a粒子衰變鏈見(jiàn)圖2表明產(chǎn)生了3個(gè)超重核293118。對(duì)這些新的同位素Z=118、116、114、112、110、108的衰變能量和壽命的測(cè)量,證明了穩(wěn)定島存在的可能性。|9118| QN2911 QN |118 QN |t1237MeV! 12. 41 MEVt 12. 37 MeV12|**116 261 s29116| 212 Ps|2116120 us3.39 MeV3.46 MeV-f11.63 MeV|281141243 PAs285114 (escape)a3aJ 1207ps ag310阿f11.31 MEV￥3.04 MEVf11.38 MV|282 112| 0.708 m聞|2112 (escape)| 2112 | 1.047ms142.41 MeVa。t 10. 67 MeV10.741ms a,21100. 939 ms! 10.69 MEV7110 (esape)”110 1.750ms5.738ms as 」Csf 10.18 MEV1.33 MeV! 10. 19MeV23Hs S. 738 msHs( escape)中國(guó)煤化工! 978M2V! 9.47 MEV2.133 ms| 29sg 1.203s2Sg | 2.1079 .SgCNMHG2. 87 MeV lescapel8.7421. 53s43.10 s圖2在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的293 1 18超重核衰變鏈的時(shí)間順序1期張豐收等超重核合成進(jìn)展3. 1.2 Dubna的情況俄羅斯聯(lián)合核研究所( Dubna )嘗試了包括通過(guò)地下核試驗(yàn)在內(nèi)的多種方法,合成了R(Z=104)Dl(Z=105等多種超重核及其同位素。289114超重核是Dubna核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)室的研究組與美國(guó)利弗墨爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究組合作在杜布納U-400重離子回旋加速器上,用48Ca 轟擊244Pu靶,以3n蒸發(fā)道產(chǎn)生的。圖5給出了探測(cè)超重核289114時(shí)的主要裝置重離子靜電反沖分離器(VASSILISSA522],其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。VASSILISSA 是1987年安裝在U-400重離子回旋加速器上的。它主要是由三組靜電偶極場(chǎng)構(gòu)成這是為了將融合后的反沖核、多核子轉(zhuǎn)移反應(yīng)產(chǎn)物和入射束流粒子分離出來(lái)。反沖核經(jīng)第-組靜電偶極場(chǎng)偏轉(zhuǎn)8后進(jìn)入第二組靜電偶極場(chǎng)。反應(yīng)剩余的入射粒子和其他粒子在這里將會(huì)被全部阻塞。裝置的探測(cè)系統(tǒng)由一個(gè)飛行時(shí)間探測(cè)器和一個(gè)Si探測(cè)器陣列構(gòu)成。磁偏轉(zhuǎn)時(shí)間飛行譜儀位置靈敏探測(cè)器陣靜電偏轉(zhuǎn)-100最焦四級(jí)磁鐵-400W-100V^反沖原子聚焦四級(jí)碓鐵t B)10東波阻止ca東泥”“Pu靶圖3 Dubna 的靜電反沖分離器V ASSILISSAQ+*Pu 11-1119.71 MeV2”112| 30.4x(3- 30s) .a:! EVRf8.67MeV↓a,11015.4min(30- 300mim)8.83 MEV(4.04+4.79)中國(guó)煤化工108 1.6min(2- 20 min)MYHCNMHG*172MeV (120+52)SF16.5 tmin位置偏移(a)(b)圖4在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的289114超重核衰變鏈的時(shí)間順序( a和反沖核衰變事件的位置偏移( b)34物理學(xué)進(jìn)展21卷在34天的時(shí)間內(nèi)束流能量為236MeV束流平均強(qiáng)度為4x1012pps觀測(cè)到一個(gè)a衰變鏈。靶以PuO2的形態(tài)的濃縮44Pu( 98.6% )沉積到1.5 μm厚的Ti箔上靶厚0.37mg/em。實(shí)驗(yàn)中將9塊靶裝在一個(gè)轉(zhuǎn)盤上，以每分鐘2000轉(zhuǎn)的速度快速轉(zhuǎn)動(dòng)。從靶上反沖出的蒸發(fā)余核( EVR )通過(guò)充氣分離器后,與 束流粒子和各種轉(zhuǎn)移反應(yīng)產(chǎn)物分開穿過(guò)TOF系統(tǒng)注入焦面探測(cè)器進(jìn)行分辨。圖4給出實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的289114超重核的衰變鏈和反沖核衰變事件的位置偏移。從圖4( b )中可以看出觀測(cè)到的幾個(gè)a粒子幾乎都是在同一地方出現(xiàn)的這表示它們具有強(qiáng)烈的相關(guān)性。又由探測(cè)到的a粒子時(shí)間順序不難得出結(jié)論,它們是由一個(gè)母核289 114衰變而來(lái)的289114 的產(chǎn)生截面約為1pbo1.3 GSI的情況使用Unilac加速器、重離子反應(yīng)產(chǎn)物分離器SHIP和衰變關(guān)聯(lián)探測(cè)器采用冷熔合反應(yīng)自1984年采用50Ti+ 208Pb-→257R{( Z= 104)+ n合成257R( Z= 104),至今已合成Bh( Z= 107)入H<( Z= 108入M( Z=109)Z= 110、Z= 111和Z=112。 圖5給出GSI重離子反應(yīng)產(chǎn)物分離器SHIP的結(jié)構(gòu)23-251。當(dāng)反應(yīng)發(fā)生后,反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)過(guò)濾器進(jìn)行產(chǎn)物分離利用TOF探測(cè)器探測(cè)產(chǎn)物的飛行時(shí)間然后用Si探測(cè)器和(探測(cè)器對(duì)產(chǎn)物鑒別。過(guò)濾器由兩組導(dǎo)電板、四塊磁鐵組成的磁偶極場(chǎng)和兩組四極聚焦透鏡構(gòu)成。新的過(guò)濾器添加了第五塊偏轉(zhuǎn)磁鐵,它是用來(lái)確定束流線探測(cè)器的位置以便使實(shí)驗(yàn)中本底的影響達(dá)到最小。整個(gè)SHIP從靶到探測(cè)器的總長(zhǎng)度是11米,反應(yīng)產(chǎn)物通過(guò)整個(gè)裝置的時(shí)間約為2μSo.Y探測(cè)器↑Si探測(cè)器時(shí)間飛行探測(cè)器75*磁鐵靶輪磁鐵束流阻止電場(chǎng)進(jìn)鏡中國(guó)煤化工圖5GSI的重離子反應(yīng)MHCNMHG超重核269110是GSI科學(xué)家用庫(kù)侖位壘附近的入射能量的彈核62 Ni轟擊鉛靶所合成的。實(shí)驗(yàn)中,束流是由ECR源提供的靶上束流強(qiáng)度為平均每秒有3x 102個(gè)粒子通過(guò),靶是由厚度為450 μug/em2純度為99 .0%的鉛沉淀到厚度為40 μg/cm2的碳膜上制成的。實(shí)驗(yàn)中將萬(wàn)喚這樣的靶放到一個(gè)輪子上輪子以每分鐘1125 圈旋轉(zhuǎn)。從1994年11月81期張豐收等超重核合成進(jìn)展3:日開始連續(xù)12天的實(shí)驗(yàn)中在同一地方相繼發(fā)現(xiàn)了4條a粒子衰變鏈,證實(shí)它們都是由核269110衰變而來(lái)的。它的產(chǎn)生截面是σ=3.5+3子pbra粒子平均能量是11. 112+ 0.020MeV平均半衰期是T1/2= 170+60 pμso圖6給出實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到269110超重核的4條衰變.鏈中的3條。CNi+ 0Pb→29110+ In1*110 QN |ap2110 QNx2*110 a1.939 MeV-11. 095 MEVt 11. 110MEV205 108 (escape)2108 142 4s5108|2414s.201Q210. 534 MEV一410.519MeVf 10. S71 MeVo 106 2015的X3單106 126 Ps|*106| 2324us9.524 MEVf9. 554 MeV9.468 MEV373 ms即7104156 m27104 34 msa,8.705 MeVf8.615MeV2Nb 26.1813.9s8.144 Mev5 8.022 Mev224 s42.7sDate:11 -Nov- 1994Date:12-Nov- 1994Date:17- Nov- 1994Tme:11:17hTime:19:22 hTime:11:50 h圖6在實(shí)驗(yàn) 中觀測(cè)到的269110超重核衰變鏈的時(shí)間順序隨后又用入射能量為313.0 MeV和315.5 MeV的炮彈64Ni轟擊鉛靶在12天的束流時(shí)間內(nèi)共發(fā)現(xiàn)9個(gè)a衰變事件,它們可歸類為3組分析表明它們都是從母核27110.衰變而來(lái)的最大的反應(yīng)截面σmax= 15+號(hào)pb激發(fā)能為E*=12.1 MeV 而且根據(jù)這些事.件可以確定核27110的組態(tài)。6Ni+ 29Bi→2111+ 1na,+ 155-Kevx-1111| QN111 aN |12111 aN0.533 MEV44. 612 MEV湖109(escape)| 29109 | (eacape)f 10.820 MV3600 g|0*109 | 2042 Ps696 sx 107f 10.259 MEV! 10. 097 MEV一10.221 MeV71 ms24107171 ms4107| 72 msQzf9. 475 MEV19 618 MEV49. 621 MeVaz2105 98 nsa。2105 334 msa*105 1452 ms40.873MeV69. 146MV9.200MeV1969ms953 ms .*Nb J 573ms中國(guó)煤化工Date:08- Dec - 1994Date:13-Dec- 1994YHCNMHGTme:05:49 hTme:06:20 hTime:06:03 h圖7在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的22111 超重核衰變鏈的時(shí)間順序從19分氨據(jù)月1日開始到18日,又先用能量為316.1 MeV的4Ni轟擊?09Bi這個(gè)36物理學(xué)進(jìn)展21卷能量是根據(jù)上面實(shí)驗(yàn)所選擇的但在這個(gè)入射能量下一直沒(méi)有觀測(cè)到衰變事件。在調(diào)高束流能量到318.1 MeV 后觀測(cè)到第一個(gè)272111 衰變事件測(cè)得反應(yīng)截面σ= 1.733 pb,然后又在320.0 MeV入射能量下測(cè)到兩個(gè)事件反應(yīng)截面σ=3.5t2:3pbo而在這3條鏈中只有-條是完整的,它由5個(gè)衰變事件組成。圖7給出實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的272111超重核的衰變鏈。從1996年1月26日到3月7日,GSI 的科學(xué)家利用炮彈70Zn轟擊208 Pb來(lái)探測(cè)質(zhì)子數(shù)為112的超重核。共觀測(cè)到277112 的兩條a衰變鏈得到的產(chǎn)生截面為σ= 1.0+6 pbo但這次實(shí)驗(yàn)的最感興趣的結(jié)果是它的衰變鏈和關(guān)于它的子核273110。圖8給出實(shí)驗(yàn)中觀.測(cè)到的277112超重核的衰變鏈。0Zn+粥Pb- 2”112+ 1n .”112| ONm112 QN;一f11.65MEVa2110400 ps11. 45 MEV|273110 280 Hsf973MeVv11.08MEV170 msag309108 | 110 Hsf9.17MeV*106|715一+9.23 MeV1|35106 19.7st 8.77 MeV264104 24.1s4. 60 MeV”104 (escape)一Y1.22MEV7.4s27Nb| (escape)f8.52MeV27Nb 4.7832.7 s一 48.34 MEV| Fm15.0sDate:01 - Feb- 1996Date:09 -Feb- 1996Time:11:52 hTime:22:37 h圖8在實(shí) 驗(yàn)中觀測(cè)到的277112超重核衰變鏈的時(shí)間順序最近,CSI又對(duì)合成293118的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果見(jiàn)圖926]。發(fā)現(xiàn)他們得出的293118產(chǎn)生截面要小于Berkeley測(cè)得的。根據(jù)在以往實(shí)驗(yàn)中合成超重核的數(shù)據(jù)按同位旋值的不同對(duì)它們進(jìn)行線性擬合(下面一條線的同位旋自由度( N-Z )/2為3上面一條線的 .則為4)發(fā)現(xiàn)由擬合直線外推得出的Z=118超重核的產(chǎn)生截面遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于由Smolanezuk所預(yù)言的值(圖中的叉點(diǎn))和由Berkeley 的實(shí)驗(yàn)中得出的值(圖中空心圓點(diǎn))2理論模型中國(guó)煤化工關(guān)于超重核的理論研究現(xiàn)在有許多種.MHCNMH G個(gè)量進(jìn)行的。人們一般把超重核的合成分成兩個(gè)階段形成復(fù)合核過(guò)程和復(fù)合核退激過(guò)程而許多模型則把這兩個(gè)階段結(jié)合起來(lái)。目前有幾種關(guān)于形變超重核產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)解釋。Hofmann用壘下熔合反應(yīng)來(lái)解釋超重核的形成1的據(jù)對(duì)超重核由于勢(shì)壘很高復(fù)合核穿透勢(shì)壘的可能性很低熔合截面將會(huì)1期張豐收等超重核合成進(jìn)展37很小而不可能測(cè)量到超重核。這種理論是10從對(duì)較輕核的熱熔合反應(yīng)的描述而發(fā)展起來(lái)10"-CaIn Reactions-1μb的。Hofmann 在Von Oertm 模型的基礎(chǔ)10●0湖Pb, BiX Smolanczuk 1上[28]解釋說(shuō),復(fù)合核形成的開始(反應(yīng)開始10*-階段)靶核的一部分質(zhì)子轉(zhuǎn)移到彈核,這樣10°-x1nb勢(shì)壘將會(huì)降低熔合反應(yīng)可以完成。這種利100-"Ci““Ni用壘下融合模擬超重核合成的方法是否可10""TreE∞°Zn 不五i BCS10”-靠還需要檢驗(yàn)。Adamiann 認(rèn)為在全部碰撞100 /barnIsHppb動(dòng)能耗散以后- -個(gè)雙核系統(tǒng)將形成用這來(lái)106*(N-2)/2=34描述泠熔合反應(yīng)29]。這樣的雙核系統(tǒng)憑借16↓. - .輕核的核子向重核的轉(zhuǎn)移,形成了一個(gè)復(fù)合Btement number核。他假定在108< 7<113區(qū)域,中子發(fā)射和核裂變寬度的比值為常數(shù)這種情況下,計(jì)圖9 GSI 給出的驗(yàn)證293 118超重核產(chǎn)生截面的算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得比較好。但是,對(duì)實(shí)驗(yàn)值和Berkeley所測(cè)得的實(shí)驗(yàn)值的比較這個(gè)比值所依賴的中子分離能、裂變勢(shì)壘、熱抑制的殼效應(yīng)在模型中則完全沒(méi)有考慮。經(jīng)典模型預(yù)言由于核子間的摩擦系統(tǒng)將有大量的能量失去所以Swiatecki提出了用通道障礙來(lái)分析超重變形核30]形變超重核的形成可以用外推模型方法來(lái)解釋,這與裂變位壘緊密相關(guān)。Armbruster提出來(lái)一個(gè)包括圍繞著主熔合軌道和溫度相關(guān)的殼修正的熱漲落模型用來(lái)描述對(duì)稱熱熔合反應(yīng)導(dǎo)致的Z= 114球形超重核。計(jì)算得到的反應(yīng)截面有幾十個(gè)微靶3132]。 但是對(duì)稱的熱反應(yīng)要求強(qiáng)烈的放射性靶核和彈核這是目前實(shí)驗(yàn)條件所達(dá)不到的。還有幾種理論模型33-36]在這里就不- -一討論了。Berkely根據(jù)Smolanczuk所提出的理論模型的預(yù)言37 38成功地合成了超重核293118。該模型是在基于雙幻核208Pb為靶核的基礎(chǔ)上,假設(shè)復(fù)合核通過(guò)量子隧道穿透熔合位壘而形成復(fù)合核通過(guò)蒸發(fā)中子來(lái)退激。給出的超重核1n 反應(yīng)道的熔合生成截面為σ1( Em)= 2o( Em)Pin.( E*)(1)其中En是轟擊能量(質(zhì)心坐標(biāo)系的炮彈能量) σ( EHI是軌道角動(dòng)量l上分波的熔合截面,P1n,( E* )是由復(fù)合核在總激發(fā)能為E*和軌道角動(dòng)量為l 時(shí)發(fā)射出一個(gè)中子的幾.率。激發(fā)能為E*= EHn- Q(2)Q為基態(tài)能量,它的數(shù)值可以由彈靶質(zhì)量減去復(fù)合核質(zhì)量而得到。對(duì)于角動(dòng)量l分波的熔合截面為中國(guó)煤化工σ( Em)= πMHCNMHG(3)其中λ為炮彈折合的de Broglie 波長(zhǎng)2(4)=N 2μEmp為折合質(zhì)量數(shù)據(jù)為勢(shì)壘穿透系數(shù)物理.學(xué)進(jìn)展21卷1Tl= 1+ex( 2Se)(5)這個(gè)計(jì)算結(jié)果是從量子力學(xué)WKB近似得來(lái)的。在內(nèi)外轉(zhuǎn)變點(diǎn)上的作用積分S, 可有近似關(guān)系Si= sd Em-左(L+1D)(6)2μRjRpu是勢(shì)壘作用半徑,So是離心勢(shì)壘為零時(shí)的作用積分。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)我們使用庫(kù)侖勢(shì)壘(Rfu為半徑來(lái)代替熔合勢(shì)壘,它只依賴于碰撞核的尺寸和電荷數(shù)。用穿透系數(shù)用公式( 5 )來(lái)計(jì)算可以更好的描述超重核的形成截面。對(duì)于So有表達(dá)式_ 2μEm/ Em， Em1So=√F2Emzz。e2arccosiBfiuBfuJ(7)Bfu = Z,Z,e2/Rpu(8)Bpu是庫(kù)侖勢(shì)壘的高度(熔合勢(shì)壘)。從實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算都可以得到勢(shì)壘半徑Rru 和碰撞核接觸點(diǎn)距離R1的比值隨彈靶質(zhì)子數(shù)的增加而下降。對(duì)Rqu假設(shè)有關(guān)系R12Rju=1- c/ZZp> R12(9)其中c是一個(gè)常數(shù),它描述了在這樣簡(jiǎn)單的圖象中所沒(méi)有詳細(xì)考慮的其它因素引起的效應(yīng)。R12是彈核與靶核的半密度半徑之和R12 = CR+ C,Rp( 10)R, ,R。分別是靶核和彈核的半徑。復(fù)合核退激一個(gè)中子發(fā)射道的幾率Pn( E*可以根據(jù)基態(tài)能和轉(zhuǎn)動(dòng)能Erot 的差來(lái)表達(dá)。其中Erpo= h21( l+1 )/2J J是復(fù)合核沿對(duì)稱軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量_5151= J。[1+↓16π'(B2+28π險(xiǎn)+75 [5'(11 )2Jo =號(hào)Acn m° ReN( 12)它是剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。對(duì)于球型核Acy和RcN分別是復(fù)合核的質(zhì)量數(shù)和半徑,m是質(zhì)量單位32和β4為形變系數(shù)此公式忽略了高維形變。中子發(fā)射退激和裂變退激的競(jìng)爭(zhēng)可以用C( E* ,l )來(lái)描述,Tn/TG(E*,l)=Iy+ T。= 1+ Tn/Tj( 13)In和r,分別為中子發(fā)射退激和裂變退激的分波寬度,它們與中子分離能S,. 靜態(tài)裂變勢(shì)壘高度Ba和熱抑制殼效應(yīng)有關(guān)。在形MH中國(guó)煤化工能.大于單中子分離能S,而小于兩中子分離能2Sn和裂變間CNMHG增加，復(fù)合核發(fā)射第二個(gè)中子和裂變的幾率將大大的增加所以保持激發(fā)能和單中子分離能一致這時(shí)超重核的產(chǎn)生截面將達(dá)到最大則激發(fā)能為最佳。參數(shù)r,/Tr是在各模型中都提到的量,它是中子退激和裂變退激分波寬度的比值,在高激發(fā)核美于能級(jí)密度的Bethe公式的假定下對(duì)于它有表達(dá)式1期張豐收等超重核合成進(jìn)展39T,/T, = exp(2√anEn -2√apEj ),( 14)E*= Emt- Sn,(15)Ej = Em- B"a,( 16)其中an和a;分別為形變平衡點(diǎn)和形變鞍點(diǎn)處的能級(jí)密度參數(shù)。上面提到的復(fù)合核質(zhì)量蒸發(fā)余核質(zhì)量靜態(tài)裂變勢(shì)壘平衡點(diǎn)和鞍點(diǎn)的各量以及它的形變等這些都可以用宏觀微觀模型來(lái)計(jì)算。關(guān)于進(jìn)-步的討論這里略過(guò)。表1利用Smolanczuk提出的模型計(jì)算在超重核合成的一些物理 量的值(靶核均為208pb)QBuE*E&xpHIERσexpMeV64Ni217110224.50256. 8613.7020pb11.7415號(hào)70Zn277112243 . 68274.9412. 622.' 7pb10.071.016號(hào)84Kr29118301 . 82328.9612.8111pb86Kr293118304.41328.3013.31670pb94Sr301 120320. 44344.7613.471.4nb96Sr303 120317. 94344.112.75350pb表1給出按照上面理論進(jìn)行計(jì)算的幾種合成超重核反應(yīng)中一些物理量的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)值的比較。其中HI為入射核,ER為可能生成的超重核,Q為基態(tài)能,Bfu為溶合位壘高.度,E.為計(jì)算得到的激發(fā)能σ為計(jì)算得到的產(chǎn)生截面,ER和σexl 為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從表中可以看出實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果比較符合。圖10給出了在合成293118中對(duì)于a粒子能量實(shí)驗(yàn)值與Smolancznk計(jì)算結(jié)果、相對(duì)論平均場(chǎng)計(jì)算結(jié)果39]的比較。從圖中可以看出，Smolanezuk提出的理論模型和實(shí)驗(yàn)值符合得更好。; 12--■-Data. Smolanczuk-0- RIF。1110-B馬8中國(guó)煤化工106 108 110:MHCNMHG圖10超重核293118 衰變產(chǎn)生的a粒子能量實(shí)驗(yàn)值和幾種理論計(jì)算值的比較40物理.學(xué)進(jìn)展21卷上面給出的是對(duì)超重核產(chǎn)生截面大小的討論,而核的穩(wěn)定性也是非常重要的。超重核的殼修正能量E可以很好地表征它的穩(wěn)定性超重核的殼修正能量越小則此核越穩(wěn)定。圖11給出了殼修正能量E,在N- z( Z=82~ 120 ,N= 126 ~ 188 )核素圖上的等高線。相鄰的等高線值相差1 MeV 其中的菱形點(diǎn)表示已經(jīng)合成的超重核( Z≥106)從圖中,可以看到E的大小分三個(gè)區(qū)域, E,最小的區(qū)域En= - 14.32 MeV )是在球性雙幻核208Pb)26附近下一個(gè)區(qū)域是在形變雙幻核20108162附近( Esh= -7.2 MeV )最后一個(gè).區(qū)域是在核296114182附近,它非常接近于球性雙幻核298114184超重核。從這可以說(shuō)明超重核2981141將會(huì)比較穩(wěn)定的。120 tEa.(MeY)110-5|Z5/10090(-2130140150160 170180190N圖11殼修正能量 Eg在N-Z( Z=82~ 120 ,N= 126~ 188 )核素圖上的等高線3結(jié)論和展望，正如許多核物理學(xué)家指出的超重核z= 118、116的發(fā)現(xiàn),證明了穩(wěn)定島存在的可能性。這些超重核都具有a衰變的特點(diǎn)通過(guò)a衰變?cè)雍烁臃€(wěn)定來(lái)來(lái)抵抗裂變理論計(jì)算預(yù)言這些核具有形變殼穩(wěn)定。穩(wěn)定島可以到達(dá)預(yù)示著可以進(jìn)行類似的反應(yīng)產(chǎn)生其它超重核同位素這為核物理研究和超重元素化學(xué)性質(zhì)研究打開了一個(gè)新領(lǐng)域。很明顯,超重核潛在的性質(zhì)和應(yīng)用前景得到國(guó)際廣泛的關(guān)注。主要大國(guó)如美國(guó)Berkeley、俄羅斯Dubna、德國(guó)GSI等從來(lái)都沒(méi)有放棄超重核合成的努力。最近法德合作項(xiàng)目MAFF建議利用加速豐中子裂變碎片嘗試合成超重核中國(guó)煤化工作為其主要研究目標(biāo)之-[41]。中國(guó)作為一個(gè)大國(guó)從大國(guó)的責(zé)任MHCNMH展我國(guó)的超重核合成研究。從Berkeley的結(jié)果看他們得到了289114( Z=114 ,N= 175 ) ,偏離島中心298114( Z= 114 ,N= 184約9個(gè)中子,僅達(dá)到島的邊沿。GSI目前試圖利用76G( Z=32 ,N=44 )+ 208Pb-→283114( z=114 ,N= 169)+ n產(chǎn)生的283114( Z=114 ,N= 169 ) ,仍偏離島中心約15個(gè)中產(chǎn)數(shù)我們可采用如下反應(yīng),1期張豐收等超重核合成進(jìn)展4136X& z=54 ,N=82)+ 208pb-[344x( z=136 ,N= 208 )]*→298114 z=114 ,N=184)+ 11a+2n最終達(dá)到穩(wěn)定島中心。利用中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所的現(xiàn)有加速器是可能完成以上想法的。首先利用小器SFC結(jié)合小器改進(jìn)和ECR源的發(fā)展,制作必要的分離器(參照SHIP和BGS)進(jìn)行小規(guī)模超重核合成探索逐步在超重區(qū)合成幾個(gè)新的超重核同位素，并逐步接近島中心其次在CSR完成后系統(tǒng)進(jìn)行新的超重核同位素合成到達(dá)島中心。并系統(tǒng)研究超重核及其同位素的性質(zhì)。從目前的情況看超重核的合成正迅速發(fā)展合成更重的核是一方面,而使這些核生存下來(lái)將是新的另一方面關(guān)于這一點(diǎn)可能比別的更重要。比較118 ,114 ,112 核素合成實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)在從112衰變到110時(shí),所花費(fèi)的時(shí)間分別為:285112- →28110是15.4min 28112-→277110是1750 ms ?27112-→273110 是240μus見(jiàn)圖12。從中不難看出中子越多則壽命越長(zhǎng)如果中子數(shù)達(dá)到184超重核將會(huì)更穩(wěn)定。這里只列舉出了一個(gè)例子其它超重核同位素的壽命也顯示出同樣的結(jié)論。471177161243u5116115mt 11415min113*112| *112 |R40u51750ms15mEn112111. 10P110110”10|110120u556ms| 0.155.5.6min| 11057158159 160161162163164165166167168169170171 172 173 174175N圖12最新幾種合 成超重核( Z> 110在元素周期表中的位置及它們的半衰期從上面談到的來(lái)看超重核在合成過(guò)程中要經(jīng)歷兩個(gè)階段，形成復(fù)合核和復(fù)合核退.激。目前關(guān)于超重核的理論大都是計(jì)算它的產(chǎn)生截面和激發(fā)能而且比較成功的模型都是將這兩個(gè)過(guò)程放到一起考慮。用同位中國(guó)煤化工量子分子動(dòng)力學(xué)模型42-46]同位旋相關(guān)的Boltzmann- LangevinMHCNMHG的,可以只計(jì)算它的復(fù)合過(guò)程。利用模型可以計(jì)算超重核的產(chǎn)生截面，但對(duì)-些參數(shù)需要改動(dòng)真正的困難在于計(jì)算量由于超重核的產(chǎn)生截面太小度量都是以pb計(jì)，這需要算很多事件計(jì)算量很大。另外布巢閘豐中子次級(jí)束流48-51來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)則有可能達(dá)到更多的中子。在過(guò)去物理.學(xué)進(jìn)展21卷的實(shí)驗(yàn)中除了Dubna曾采用豐中子束48Ca為炮彈外其它的彈靶都是穩(wěn)定核或接近穩(wěn).定核這是由于當(dāng)時(shí)不能提供豐中子不穩(wěn)定束流或束流強(qiáng)度太弱,而不適用于實(shí)驗(yàn)。對(duì)于用穩(wěn)定束合成超重核來(lái)說(shuō)在GSI和Dubna通常用的束流強(qiáng)度為0.5~2.0 puA假定所要合成的超重核它的產(chǎn)生截面一般為1pb使用的靶厚1018個(gè)原子/em2若用1 ppA的束來(lái)轟擊此靶經(jīng)計(jì)算可知每天將會(huì)有0.5個(gè)計(jì)數(shù)而次級(jí)束將比穩(wěn)定束弱幾個(gè)數(shù)量級(jí)很顯然如果這樣考慮用次級(jí)束合成超重核是不現(xiàn)實(shí)的。但是由于放射性束的特殊性對(duì)于用次級(jí)束合成超重核的研究還是很有希望的原因有下面幾點(diǎn)。(1)用豐中子放射性束進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生的復(fù)合核的中子數(shù)將比目前所有的核都要大,這樣將導(dǎo)致中子結(jié)合能的降低和裂變勢(shì)壘的增高復(fù)合核更容易發(fā)生發(fā)射中子退激超重核則很可能存活下來(lái)。對(duì)于核反應(yīng)x中子道來(lái)說(shuō)熔合反應(yīng)中超重核的產(chǎn)生截面σxn可以近似寫為σxn=σmζ I,/T,)*這里σmn是熔合截面Tn/I,是復(fù)合核進(jìn)行發(fā)射中子退激和裂變退激分波寬度的比值,它可以近似表成I/Ir=exp B,- B,)T ,B; 是裂變勢(shì)壘,Bn是中子結(jié)合能，從這里我們可以看出裂變勢(shì)壘增大,中子結(jié)合能減少將直接導(dǎo)致超重核產(chǎn)生截面的增加?？梢怨烙?jì)出來(lái),如果ON=7即豐中子核多出7個(gè)中子那么超重.核產(chǎn)生截面將增加10。這樣的話,它足以補(bǔ)償由于束流強(qiáng)度弱的不足;(2對(duì)于豐中子束產(chǎn)生的反應(yīng)近壘熔合截面將會(huì)增加，這導(dǎo)致超重核的產(chǎn)生截面的增加。由于隨著復(fù)合核激發(fā)能的增加產(chǎn)生超重核的幾率將下降的很快所以要用盡可能小的入射能量則對(duì)近熔合位壘的研究是非常必要的。如果用豐中子核束引起反應(yīng)將會(huì).有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先在兩碰撞核的接觸點(diǎn)庫(kù)侖勢(shì)壘的影響將會(huì)降低這一點(diǎn)是非常明顯的。其次,由于豐中子核對(duì)中子弱的束縛這將會(huì)導(dǎo)致頸狀"復(fù)合核的形成這有利于近壘熔合截面的增加;(3對(duì)于用豐中子束發(fā)生的反應(yīng)系統(tǒng)激發(fā)能通常要低于由穩(wěn)定核所引起的反應(yīng)。用次級(jí)束流來(lái)合成超重核是一種全新的方法到目前為止還沒(méi)有人用它來(lái)做合成超，重核的實(shí)驗(yàn),雖然在技術(shù)上仍有-定的困難,但對(duì)我國(guó)將建成的CSR來(lái)說(shuō)是-個(gè)很好的課題。致謝:作者感謝諸永泰先生的討論參考文獻(xiàn)[ 1 ]Oganessian Y T , Yeremin A V ,Popeko A G ,et al. 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