我国成功合成新核素锫-235与镅-231 兰州重离子加速器国家实验室加速器取得新成果

 在探索物质世界最深层奥秘的征途上,人类对原子核版图的认知边界再次被向前推进。近日,一项来自中国大科学装置的突破性成果,为核素家族增添了两位全新的成员。依托兰州重离子加速器国家实验室的先进装置,一支由中外科学家组成的联合研究团队,成功在世界上首次合成了新核素锫-235及其阿尔法衰变子核镅-231.这项发表于国际权威期刊《物理快报B》的研究,不仅为理解重核区原子核的精细结构与衰变行为提供了前所未有的实验数据,更标志着我国在极端条件下合成与鉴别新核素这一前沿领域,已跻身世界领先行列。

 挑战原子核存在的“边缘地带”

 合成与研究新核素,是当代原子核物理最前沿的探索之一。其意义在于不断逼近原子核稳定存在的极限,检验和完善描述核物质的基本理论模型。此次合成的锫-235与镅-231.位于质子数为95至97的“缺中子锕系核区”。这个区域堪称核素世界的“悬崖边缘”——由于原子核的裂变位垒较低,新核素产生的概率微乎其微,截面仅为皮巴量级,相当于在浩瀚的沙滩上寻找一粒特定标记的沙子。同时,多种衰变模式在此激烈竞争,新生的原子核可能在诞生瞬间便以阿尔法衰变、贝塔衰变或自发裂变等方式“湮灭”,使得捕捉和鉴别它们变得异常困难。长期以来,合成该区域的新核素一直是国际同行面临的重大实验挑战。

 “显微手术”般的合成与捕捉

 面对如此艰巨的任务,研究团队依托的是被誉为“国之重器”的兰州重离子加速器国家实验室。他们利用中国超重元素研究专用加速器,将极高流强的氩-40离子束加速到接近光速,如同精准的“粒子炮弹”,持续轰击薄如蝉翼的金-197靶材。在剧烈的熔合蒸发反应中,极少数目标原子核——锫-235得以诞生。随后,这些转瞬即逝的新核素被引导至充气反冲核谱仪中。这台高灵敏度的设备如同一个极度精密的“原子核筛选器”和“高速摄像机”,能够基于单原子核的探测鉴别技术,对反应产物进行分离、减速和鉴别。

 最终,团队成功观测到三条清晰且具有能量、位置、时间精确关联的阿尔法衰变链,如同捕捉到了新核素诞生后留下的独特“指纹”。通过分析这些衰变链,科学家们首次精确测量了锫-235的阿尔法衰变粒子能量为7632千电子伏,其衰变产物镅-231的阿尔法衰变粒子能量为7109千电子伏,并确定镅-231的半衰期约为75秒,其阿尔法衰变的分支比为17%。这些宝贵的实验数据,首次将这两个新核素的性质从理论预测变为可观测的物理现实。

 为核理论模型提供关键“实验标尺”

 每一次对新核素的成功合成与测量,都是对现有原子核理论模型的一次严格“考试”。此次发现的价值,远不止于在核素图上增添两个新坐标。研究团队系统比较了多个主流理论模型对锕系核区阿尔法衰变能的预言。结果发现一个有趣的现象:对于锫-235和镅-231这类极端缺中子的核素,理论计算值普遍系统地高于实验测量值。尤其对于锫同位素衰变能的变化趋势,理论预言与实验观测出现了显著偏离。

 这一差异绝非简单的误差,它如同一把精准的“标尺”,清晰地指出了当前理论模型在描述极端缺中子重核区时所存在的不足。它迫使理论物理学家重新审视模型中关于原子核结合能、壳层效应以及核子间相互作用等基本假设。这些来自最前沿实验的反馈,是推动核物理理论不断自我修正、逼近真实的最核心动力。正如一位物理学家所言,每一次在核素版图边缘的新发现,都可能撼动我们对核物质基本规律的理解。

 大科学装置催生基础研究“聚变”

 兰州重离子加速器此次取得的成果,是中国大科学装置持续产出重大原创性基础研究的又一个缩影。这类投资巨大、技术复杂的大型科研基础设施,是开展前沿探索不可或缺的“超级显微镜”和“宇宙实验室”。它们不仅为合成新核素、探索超重元素等基础研究提供了独一无二的实验条件,其衍生技术也正在向能源、材料、生命健康等应用领域辐射。

 例如,基于重离子加速器技术研发的重离子治癌装置,已成功应用于临床,为肿瘤患者提供了全新的精准放疗手段。利用重离子束进行材料辐照改性,可以创造出具有特殊性能的新材料。此次成功合成新核素,再次证明了我国已完全掌握利用大型加速器装置开展极低概率、极高精度核物理实验的整套关键技术,包括高性能离子束产生、靶物理、超高真空、极端条件下的粒子探测与鉴别等。

 从首次合成新核素锇-160、钨-156.到如今的锫-235、镅-231.中国科学家正以坚实的步伐,不断拓展着核素版图的已知疆域。每一次对新核素的成功捕捉,都是人类向物质世界更深处迈进的一小步,也是国家基础科学研究实力稳步提升的明证。未来,随着更多大科学装置的建设和升级,中国必将在揭示自然基本规律、探索物质终极构成的伟大征程中,贡献更多源自东方的智慧与发现。