超重元素(新核素)合成研究进展情况分析和展望

本文在介绍和分析国际、国内在超重元素（新核素）合成实验研究与理论研究进展情况的基础上对我国今后如何从理论与实验的结合上开展超重元素（核）合成研究工作提出一些看法和建议，提供讨论。     

超重原子核与超重元素

研究超重原子核和超重元素,探索原子核的电荷和质量极限,是重要的科学前沿领域。超重原子核的存在源于量子效应。上个世纪60年代,理论预言存在一个以质子数114和中子数184为中心的超重稳定岛,这极大地促进了重离子加速器及相关探测设备的建造和重离子物理的发展。到目前为止,实验室合成了118号及之前的超重元素。其中116号、114号和113号以下的新元素已被命名。利用重离子熔合反应合成更重的超重元素还面临着很多挑战,需要理论与实验密切结合,探索超重原子核性质与合成机制,以登上超重稳定岛。文章概要介绍了超重原子核和超重元素的研究背景、实验进展以及面临的挑战,并展望了未来的发展。     

尝试合成110号元素

在目前的超重元素研究中,合成110号元素是最激动人心的课题之一。本文以如何探索合成110号元素为线索,讨论了核质量和稳定性、由实验和理论得到的启示以及尝试合成它的最新实验。     

超重元素的气相化学研究

对当前国际上超重元素气相化学性质实验研究的现状进行了综述, 简单介绍了用于气相化学研究的超重元素合成方法和超重元素气相化学实验技术的发展历程。 综述了超重元素Rf, Db, Sg, Bh, Hs 和112 号元素的气相化学性质研究的实验进展情况。 最后介绍了我国在超重新核素合成、 超重元素气相化学研究等方面所取得的成果, 并展望了在超重元素气相化学性质研究方面的前景。 The present status of the chemical properties investigation for superheavy elements was described in this paper. The synthesis of superheavy elements and the experimental techniques used in stu dies on the gas phase chemistry of superheavy elements were briefly introduced. The current experimental studies about the gas chromatography of Rf, Db, Sg, Bh, Hs and element 112 were discussed in detail. Finally, the development of synthesis of superheavy elements and the study on gas phase chemical properties of superheavy elements in China were prospected.     

超重元素合成反应机制研究

回顾了超重元素研究的现状和超重元素合成反应机制研究的发展,指出目前超重元素合成研究中存在的困难和对超重余核鉴别的一些设想.对近对称反应系统的熔合反应机制进行了较深入的讨论,建议对这类反应生成复合核的截面进行理论和实验上的研究.The status and development of the studies on reaction mechanism for synthesis of superheavy elements has been reviewed. In this paper it is pointed out the difficulties existing in the studies and synthesis of superheavy elements and some conceives for measurement and identification of very heavy residues. The fusion of near symmetric reaction systems is discussed and proposed to do more investigations on the fusion cross sections of these reactions on both theory and experiment.     

α–结团模型对超重核α衰变寿命的研究

用α结团模型计算新合成超重元素的半衰期,与已知的实验数据进行对比分析,发现理论和实验数据能够很好地符合,验证了α结团模型对超重核研究的有效性.同时结合标准的形变Har-tree-Fock模型核质量表给出半衰期理论计算结果,可供以后在理论或实验上研究超重核参考,在此基础上进一步分析超重核区域的α衰变能、双中子分离能和双质子分离能,并讨论Z=114和N=184处是否存在壳效应.     

形状同质异能素与超重元素

近年来,理论和实验分别地预言和发现了很多重原子核存在形状同质异能素,即,这些原子核存在一个激发的亚稳态,它与基态的不同主要是形伏的不同.例如,基态可以是略为形变的椭球,长半轴比短半轴大25%,而这一亚稳态可形变得较厉害,长半轴比短半轴大80%.与此相应的理论还预言,原子序数在11.附近存在一个稳定的超重元素岛,不过,到目前为止还没有在实验上找到这样的超重元素.由于超重元素具有比现有核燃料铀和钚更为优越的特性,因此,对超重元素的寻找不仅有理论上的兴趣,而且有实际上的要求. 一、形状同质异能素“‘ 到目前为止,已在钢系区域发现近…     

用48Ca+248Cm 反应合成超重元素的最新尝试

人们认为,利用~(48)Ca+~(248)Cm 的熔合反应是合成超重元素的最有效的方法之一,因为由此得到的复合核是Z=116号元素的同位素(中子数N=180),离双幻核Z=114,N=184最近。理论预言,这个双幻核正是第一稳定岛的中心。如果没有壳效应,这个复合核将立即分裂为两块。实验和理论表明,试图利用熔合反应来合成超重核,要求靶越重越好,而炮弹越轻越好,且两者都应该是丰中子的。     

改进的Woods-Saxon势在超重核合成中的应用

基于Skyrme能量密度泛函(SEDF)方法,提出了改进的Woods-Saxon势(MWS)来描述核-核相互作用。使用MWS势计算了大量的熔合反应的熔合势垒与基于SEDF方法的计算结果非常靠近。我们进一步用MWS势为合成超重元素的10个冷熔合反应与8个热熔合反应选择恰当的入射能量做了初步探索,发现将入射能量选择在平均势垒Bm和MWS势计算的势垒Bws之间更有利于超重核的产生,预言了合成120号超重元素的4个不同反应体系的最佳入射能量范围。     

冷熔合反应合成超重元素的进展

综述了自提出冷熔合反应作为合成原子序数 Z>1 0 6号超重元素的最主要反应机制以来 ,冷熔合合成超重元素所取得的重大成就及其进展至目前所面临的困惑 .详细介绍了最近国际上围绕 1 1 8号元素合成以及对以冷熔合反应合成 Z>1 1 2号超重元素前景上的争论 .讨论了在我国现有实验条件下 ,基于冷熔合机制开展超重元素合成面临的问题. The great successes of cold fusion reaction which was suggested as the most important production mechanism for superheavy element of Z >106, as the well as the main hot point problems in recent research of superheavy element synthesis are reviewed. Some different opinions around the synthesis of the superheavy element of Z =118 and the further prospect of utilizing cold fusion reactions to the syntheses of superheavy elements of Z >112 are introduced in detail...     

α-结团模型对超重核α衰变寿命的研究

用α-结团模型计算新合成超重元素的半衰期,与已知的实验数据进行对比分析,发现理论和实验数据能够很好地符合,验证了α-结团模型对超重核研究的有效性.同时结合标准的形变Hartree-Fock模型核质量表给出半衰期理论计算结果,可供以后在理论或实验上研究超重核参考,在此基础上进一步分析超重核区域的α衰变能、双中子分离能和双质子分离能,并讨论Z=114和N=184处是否存在壳效应.     

基于双核模型对超重元素合成机制的研究

在双核模型基础上，考虑了熔合与准裂变的竞争，通过数值法求解主方程，计算了⁵⁰Ti，⁵⁸Fe+²⁰⁸Pb，²⁰⁹Bi这4个反应系统通过冷熔合反应合成超重元素的激发函数，得到了与实验比较符合的结果.计算了不同入射能量时各角动量分波对熔合概率和超重核存活概率的影响以及对蒸发剩余截面的贡献.这些结果对进一步理解超重核的合成机制有重要意义. 关键词： 超重元素 双核模型 熔合反应 蒸发剩余截面     

超重原子核与新元素研究

当前,原子核物理研究的一个重要前沿是探索原子核的电荷与质量极限,研究超重原子核与超重元素的性质,以及合成超重原子核。20世纪60年代,基于量子壳效应,理论预言质子数为114、中子数为184的原子核及其相邻核具有较长的寿命,甚至可能是稳定的,形成一个超重稳定岛。这个理论预言促进了重离子加速器及相关探测设备的建造,推动了重离子物理的发展。到目前,已经合成到了118号元素,填满了元素周期表的第7行。然而,合成更重的超重元素或包含更多中子的超重原子核面临着很多挑战,需要理论与实验密切结合,探索超重原子核的性质与合成机制,以登上超重稳定岛。文章概要评述超重原子核与新元素研究。首先介绍超重原子核与超重元素研究的背景及理论预言,包括超重核存在的根源、理论预言的概况等。之后简要给出实验合成超重核取得的主要进展和新元素命名情况。关于合成更重的超重元素面临的挑战,文章将针对利用重离子熔合蒸发反应合成超重核的截面低、所合成的超重核缺中子等情况展开讨论。最后评述近年来超重原子核结构性质、衰变、裂变与合成机制等方面的理论研究进展,包括超重核区的幻数和超重岛的位置,超重核的稳定性,利用重离子熔合蒸发反应合成超重核的三步过程及其复杂性,利用多核子转移合成超重核的探索,等等。The exploration of charge and mass limits of atomic nuclei and the synthesis of long-lived or stable superheavy nuclei (SHN) are at the frontier of modern nuclear physics. In the 1960s, based on the stability originating from quantum shell effects, the possible existence of an island of stability around 298114 was predicted. This prediction advanced the construction of heavy ion accelerators and detectors and the development of heavy ion physics. So far, superheavy elements (SHE) with Z up to 118 have been synthesized via heavy ion fusion reactions in laboratories. Recently the IUPAC/IUPAP Joint Working Party (JWP) concluded that criteria for the discovery of new elements have been met for those with Z=113, 115, 117 and 118. Therefore the seventh period of the periodic table of elements is completed. To synthesize even heavier elements or more neutron-rich SHN by using heavy ion fusion reactions, one confronts many challenges. More efforts should be made to study the properties of SHN both experimentally and theoretically. In this short review on the study on SHN and SHE, we will first introduce the background and theoretical predictions of SHN, including the origin of the possible existence of SHN and the predicted island of stability of SHN, etc. Then we will present progresses made up to now concerning the synthesis of SHN and the naming of the four new elements. As for the challenges nuclear physicists confront in synthesizing even heavier SHEs, we will detail those connected with heavy ion fusion-evaporation reactions, namely, the tiny cross sections to produce SHN and the fact that only neutron-deficient SHNs can be synthesized. Finally we will discuss some theoretical progresses on the study of SHN, including the structure of SHN and proton and neutron magic numbers after 208Pb, the stability and the synthesis mechanism of SHN as well as what we should focus on in the future.     

合成和发现超铀化学元素、探索超重核稳定岛

合成新元素拓展元素周期表、探索原子核存在极限是核物理前沿研究领域。相关研究工作涉及的重大物理问题有:存在多少种化学元素?超重元素具有什么样的化学性质?超重元素化学性质是否符合元素周期律的外推预期?最大的核幻数是什么?是否存在稳定的或长寿命的超重核素?在极强库仑场中原子核具有哪些奇特的结构和性质?等等。经过逾半个世纪的不懈努力,元素合成取得了巨大成就,已将周期表从92号扩展至118号元素,完成了周期表上第七周期元素填充。文章回顾了在自然界寻找超重元素的历程,评述了利用人工核反应合成超铀元素和探索理论预言的超重核稳定岛的进展、成果、现状以及目前面临的困难,展望了未来的研究工作,简介了基于国家重大科技基础设施——强流重离子加速器装置开展超重研究的计划。     

致读者

本刊这一期推出一项杰出工作的成果:《Skyrme能量密度泛函在重离子熔合反应中的应用》。作者广西师范大学教授王宁是一位在当代物理学前沿进取的年轻人,致力重离子反应理论、原子核能量密度和超重元素合成方向的研究,     

超重核性质与合成机制的理论研究

探索原子核的电荷与质量极限,合成长寿命超重核是当前原子核物理研究的重要前沿问题之一。本文综述了我们近几年在超重原子核结构性质与合成机制方面取得的理论研究进展。在结构性质方面,利用处理对关联的粒子数守恒方法,基于推转壳模型,系统研究了锕系核与超镄核低激发谱,发展了多维形状约束的协变密度泛函理论并用于研究锕系核势能面和裂变位垒以及N=150同中子素中的非轴对称八极关联等。在超重核合成机制方面,系统研究了利用重离子熔合反应合成超重核的三步过程,包括俘获过程——提出了一个位垒穿透概率新公式、熔合过程——提出了一个基于动力学形变势能面的双核模型、存活过程——系统研究了激发态超重复合核存活概率等。系统研究了合成超重核的热熔合反应,得到的熔合蒸发截面与实验符合,并预言了合成119和120号超重元素的生成截面。     

直接鉴别超重元素Z和A的一种新的可能方法

随着合成的超重元素向超重岛逼近,合成截面越来越小,同时,合成的超重元素的寿命可能相对增长, 这对利用α衰变链的传统方法鉴别超重元素是非常不利的。 讨论了可能突破这个瓶颈的一种可以直接鉴别超重元素原子序数Z和质量A的新方法, 即与RFQ离子阱技术相结合的激光多步共振电离方法, 对实现这种方法的途径、 该方法所面临的困难和挑战、需要进行的前期研究工作以及该方法的可能性和可行性进行了较详细的讨论。 With the synthesis of heavy elements approaching the super heavy island, the production cross section becomes smaller and the lifetime of the super heavy element becomes longer, which results in the difficulties for identification of theelements by using conventional alpha decay chain technique. In order to overcome the difficulties, a novel approach to direct identification of atomic number Z and nuclear mass A for super heavy elements is proposed, namely, the multi step resonant laser ionization of singly charged ions in combination with RFQ trap. The routine for the experiment is presented, and the possibilities, feasibilities, as well as the problems to be faced, are discussed in detail.     

重离子制备放射性同位素的应用研究

利用重离子照射制备放射性同位素主要有以下几方面的研究:1.合成超铀、超重元素。特别是原子序数在100以上的核素,由于核裂变的发生,用多次吸收中子的方法制备有困难,一定要使用重离子合成。     

重离子熔合反应中的静态核-核势

综述了基于改进的量子分子动力学模型对超重核合成中入射道静态势的研究,重点从静态势垒高及其与质量不对称度的关系说明弹靶组合不对称有利于熔合反应的发生,而接触点驱动势最大所对应的弹靶组合为合成超重元素的最佳选择。     

元素周期表的创立及其三次重要拓展——纪念门捷列夫周期表发表150周年

今年是门捷列夫周期表发表150周年。文章简要回顾了"元素周期律"发现和"元素周期表"创立这一历史事件。着重阐述了元素周期表的三次重要拓展:"天然放射性元素"的发现;"人工放射性元素"(人造元素)的合成和"超重元素"的合成。现今周期表中元素总量已从63种增加到118种。文章最后还探讨了"超重核稳定岛"的预言和元素周期表的边界。