第21卷第1期物理學進展Vol.21 ,No.12001年3月PROGRESS IN PHYSICSMar.2001文章編號:1000-0542 2001 )01-0029-16超重核合成進展張豐收123明照宇12 靳根明12I(蘭州重離子加速器國家實驗室原子核理論研究中心蘭州730000)2(中國科學院近代物理研究所蘭州730000 )3(中國高等科學技術中心北京100080 )摘要:介紹了超重核合成的歷史和現(xiàn)狀對現(xiàn)有的超重核合成的實驗情況和理論模型做了評述指出了在國內利用現(xiàn)有設備和放射性核束裝置開展超重核合成可能的方案。關鍵詞:超重核泠熔合熱熔合放射性核束中圖分類號: 0571.2文獻標識碼: A0引言1999初在美國勞倫茨貝克萊國家實驗室,利用88-英寸回旋加速器進行了86 Kr( 449 MeV )+ 208pB 冷熔合"反應采用貝克萊充氣分離器BGS觀測到了由6個a粒子組成發(fā)射鏈的3個事件,首次確定了Z= 118、116超重核的產生和衰變( Z= 114超重核的同位素核曾由俄羅斯杜布納聯(lián)合核子研究所通過熱熔合”反應產生發(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到的。其研究結果已于1999年6月發(fā)表在美國物理評論快報.上[2]。這項研究對核物理、物理學和化學乃至整個科學界產生巨大的影響31。國際多家新聞媒體對此事做了報道,認為這可能是近年來核物理研究的重大研究成果將對核物理研究甚至科學技術的發(fā)展起到促進作用。穩(wěn)定核的上限不但對原子核結構而且對理解宇宙的結構有十分重要的意義。另外,超重核的合成及其性質研究對促進科學發(fā)展也有十分重要的意義。超重核對化學家來說將有新的化合物、對材料學研究將打開新材料的大門、對原子物理學家預言著有新原子產生、對工程師來說有可能有新燃料。這一問中國煤化工室-直致力于研究，的課題。MYHCNMHG收稿日期2000-9-20修收日期2000-10-20基金項目國家自然科學基金( 19875068、19847002 )國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃G2000077407 )和中國科學院基金資助E- mail :sz百h方數據. LZB. AC. CN0物理.學進展21卷正如人們所知原子核的許多性質如原子核的質量和平均結合能可通過類比液滴模型來描述。然而液滴模型不能描述核內質子和中子的排列情況，這種排列確定了原子核的準確性質和準確的結合能。和原子中電子的結構一樣,原子核也呈現(xiàn)出殼效應。對確定數目的質子和中子幻數核具有穩(wěn)定的構型。對雙幻核,中子和質子都處于滿殼,因此具有特別高的結合能。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構的核一直吸引著科學界。同雙幻核208Pb一樣殼模型理論預言了超重核的存在208Pb的下一個雙幻核將是298114 ,它具有114個質子、184個中子的雙幻核4?；赟trutinsky 方法S]所預言的Z= 114 ,N= 184核具有極強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?；贖atree-Fock計算發(fā)現(xiàn)在大質量區(qū)最穩(wěn)定的超重核是z= 120或z= 1268-11]。這些理論計算預言在圍繞298114有一個穩(wěn)定島”298114處于島的中心。因為理論預言它們的半衰期很長所以人們希望在自然界中找到它們,但到目前為止一直沒有成功,只能在實驗室中憑借核反應的手段來合成超重元素了。目前人們的探索主要集中在形變雙幻核的性質,如宏觀-微觀模型12~15]推廣的托馬斯-費米模型16]自洽Hartree- Fock-Bogoliubov模型17]、Hartree Fock方法10]和相對論平均場方法18]。另外,已經確認中子星是由占絕大多數的中子和少量的質子組成的、具有和太陽質量相當的核子體系。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驗方法是先用重靶核進行熔合蒸發(fā)反應然后對蒸發(fā)余核反沖分離在余核植入位置靈敏探測器后憑借它的衰變鏈來判斷是否是超重核?；诖朔€(wěn)定和高強度的束流仍是實驗的必備條件。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19~21]。289114 293118的發(fā)現(xiàn)增強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算出的Z= 114、Z=120或Z= 126中子數為184 雙幻核的超重島心還相距甚遠,不是人們預期的長壽命的穩(wěn)定核。在對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機制來進行。這兩種反應機制的區(qū)別在于復合核形成中系統(tǒng)激發(fā)能的不同熱熔合就是在退激過程中要發(fā)射4~5個中子而冷熔合就是在退激過程中發(fā)射1 ~2個中子。在最初的超重核合成反應中-般使用熱熔合方式。因為當時理論計算還不能很準確地預言反應過程中最佳入射能量和復合核的激發(fā)能數值。而到了最近幾年各種理論模型的建立和更現(xiàn)代探測設備的建造使超重核的認識上了新的臺階。對于實驗中所出現(xiàn)的各種能量都可以很精確地給出，可以采用冷熔合反應來合成超重核。當前關于超重核的理論預言多種多樣中國煤化工成超重核的最佳反應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生成的彈核的最小入射能量必須要克服庫侖位壘，為了使復合核不發(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系。所以選擇一個合適的入射能量是實驗所必須的。在本文府第固部分對歷史上人們在超重核合成中取得的經驗做一些評述在第三部1期張豐收等超重核合成進展31分評述了超重核合成的理論模型。最后給出在國內開展超重核合成特別是采用放射性.核束裝置來合成超重核的一-些建議。1歷史上已做的嘗試對于超重核的合成剛開始人們以為很簡單，認為超重核具有和U、Th相同的壽命,可以宏觀測量。這導致世界上多臺加速器的建造:如我國的HIRFL前蘇聯(lián)的Dubna、美國的Berkeley.前西德的GSI法國Orsay等都把超重核合成做為其主要研究方向。但到八十年代經過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。作為一個領域超重核合成似乎停止了。正如人們所知到的一個關于超重核的實驗首先要根據一個合適的理論模型來確定兩點( 1 )冶成超重核的性質質子數、中子數、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生截面。隨著實驗條件的不斷改變實驗室合成超重核方面的工作取得了顯著的成績。在1974年當第106號元素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合成超重核的方法已經到了盡頭。由于合成的核素越來越重而復合核的退激裂變幾率也隨著增強例如45 MeV時的熱復合核就容易進行裂變退激。在最近的研究中人們利用了熱熔合和冷熔合兩種反應。這兩種反應的區(qū)別在于復合核形成中系統(tǒng)激發(fā)能的不同熱熔合就是在退激過程中要發(fā)射4~5個中子而冷熔合在退激過程中只發(fā)射1~2個中子。即使有了這許多經計算所確定的量在花費了大量的束流時間后發(fā)現(xiàn)超重核的幾率也很低。面對這些困難尋找超重核合成的方法在國際上一-些大型實驗室一直沒有中斷幾十年來人們共合成了23( Z=93-112 ,114 ,116 ,118個超鈾元素,Berkeley. Dubna和GSI在這一領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超重核的關鍵設備是配有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設計的第三代回旋加速器,由于采用了ECR源,該加速器能夠加速從H到U離子。另外采用ECR源不管對天然源還是增強源都增加了使用穩(wěn)定核稀有同位素的效率。如實驗中使用的86K{ z=26 ,N=50)是Kr的最豐中子穩(wěn)定同位素采用了增強材料這導致加速器束流強度達到2x1012pps這是超重核Z=118合成的關鍵。超重MH中國煤化工關鍵之處是BCS其結構示意圖見圖1。BGS具有非常卓越的分CNMH G點。在實驗中,BCS，強磁場能夠對超重核Z= 118聚焦并把超重核Z= 118和束流及其它反應產物分開。由于彈靶每作用102次才產生1個超重核Z= 118 ,由此對探測設備有下面兩點要求即盡可能多的俘獲生成的超重核Z=118、沒有其它反應產物打入探測器而導致本底計數增加。BGS的探測效率達到75 %是目前同類型探測器中效率最高的。分離出的超重核Z32物理學進展21卷= 118被注入到固體硅條探測器通過電子學方法尋找該探測器中的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產物的本底影響在固體硅帶探測器前放置了一個薄的PPAC。這種探測器被用來區(qū)分注入原子導致的與束流有關的粒子和事件中具有很高的效率(達到99%)束流監(jiān)控棵測器柬流軌道真空腔探測器.靶'焦平面探測器四極磁鐵梯度場平直場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稍高于庫侖位壘形成具有低激發(fā)能的重復合核。該復合核發(fā)射一個中子后最終形成293118即86Kx( 449 MeV )+ 208Pb-→293118+ n。BGS最終探測出產生了超重核293118 ,在其生成120μs后,Z=118 發(fā)射了一個a粒子衰變成為289116 289116通過發(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天的實驗中觀測到了3個a粒子衰變鏈見圖2表明產生了3個超重核293118。對這些新的同位素Z=118、116、114、112、110、108的衰變能量和壽命的測量,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在實驗中觀測到的293 1 18超重核衰變鏈的時間順序1期張豐收等超重核合成進展3. 1.2 Dubna的情況俄羅斯聯(lián)合核研究所( Dubna )嘗試了包括通過地下核試驗在內的多種方法,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核反應實驗室的研究組與美國利弗墨爾國家實驗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)道產生的。圖5給出了探測超重核289114時的主要裝置重離子靜電反沖分離器(VASSILISSA522],其結構見圖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構成這是為了將融合后的反沖核、多核子轉移反應產物和入射束流粒子分離出來。反沖核經第-組靜電偶極場偏轉8后進入第二組靜電偶極場。反應剩余的入射粒子和其他粒子在這里將會被全部阻塞。裝置的探測系統(tǒng)由一個飛行時間探測器和一個Si探測器陣列構成。磁偏轉時間飛行譜儀位置靈敏探測器陣靜電偏轉-100最焦四級磁鐵-400W-100V^反沖原子聚焦四級碓鐵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在實驗中觀測到的289114超重核衰變鏈的時間順序( a和反沖核衰變事件的位置偏移( b)34物理學進展21卷在34天的時間內束流能量為236MeV束流平均強度為4x1012pps觀測到一個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。實驗中將9塊靶裝在一個轉盤上，以每分鐘2000轉的速度快速轉動。從靶上反沖出的蒸發(fā)余核( EVR )通過充氣分離器后,與 束流粒子和各種轉移反應產物分開穿過TOF系統(tǒng)注入焦面探測器進行分辨。圖4給出實驗中觀測到的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 )中可以看出觀測到的幾個a粒子幾乎都是在同一地方出現(xiàn)的這表示它們具有強烈的相關性。又由探測到的a粒子時間順序不難得出結論,它們是由一個母核289 114衰變而來的289114 的產生截面約為1pbo1.3 GSI的情況使用Unilac加速器、重離子反應產物分離器SHIP和衰變關聯(lián)探測器采用冷熔合反應自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重離子反應產物分離器SHIP的結構23-251。當反應發(fā)生后,反應產物經過濾器進行產物分離利用TOF探測器探測產物的飛行時間然后用Si探測器和(探測器對產物鑒別。過濾器由兩組導電板、四塊磁鐵組成的磁偶極場和兩組四極聚焦透鏡構成。新的過濾器添加了第五塊偏轉磁鐵,它是用來確定束流線探測器的位置以便使實驗中本底的影響達到最小。整個SHIP從靶到探測器的總長度是11米,反應產物通過整個裝置的時間約為2μSo.Y探測器↑Si探測器時間飛行探測器75*磁鐵靶輪磁鐵束流阻止電場進鏡中國煤化工圖5GSI的重離子反應MHCNMHG超重核269110是GSI科學家用庫侖位壘附近的入射能量的彈核62 Ni轟擊鉛靶所合成的。實驗中,束流是由ECR源提供的靶上束流強度為平均每秒有3x 102個粒子通過,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。實驗中將萬喚這樣的靶放到一個輪子上輪子以每分鐘1125 圈旋轉。從1994年11月81期張豐收等超重核合成進展3:日開始連續(xù)12天的實驗中在同一地方相繼發(fā)現(xiàn)了4條a粒子衰變鏈,證實它們都是由核269110衰變而來的。它的產生截面是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給出實驗中觀測到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在實驗 中觀測到的269110超重核衰變鏈的時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天的束流時間內共發(fā)現(xiàn)9個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.衰變而來的最大的反應截面σmax= 15+號pb激發(fā)能為E*=12.1 MeV 而且根據這些事.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中國煤化工Date:08- Dec - 1994Date:13-Dec- 1994YHCNMHGTme:05:49 hTme:06:20 hTime:06:03 h圖7在實驗中觀測到的22111 超重核衰變鏈的時間順序從19分氨據月1日開始到18日,又先用能量為316.1 MeV的4Ni轟擊?09Bi這個36物理學進展21卷能量是根據上面實驗所選擇的但在這個入射能量下一直沒有觀測到衰變事件。在調高束流能量到318.1 MeV 后觀測到第一個272111 衰變事件測得反應截面σ= 1.733 pb,然后又在320.0 MeV入射能量下測到兩個事件反應截面σ=3.5t2:3pbo而在這3條鏈中只有-條是完整的,它由5個衰變事件組成。圖7給出實驗中觀測到的272111超重核的衰變鏈。從1996年1月26日到3月7日,GSI 的科學家利用炮彈70Zn轟擊208 Pb來探測質子數為112的超重核。共觀測到277112 的兩條a衰變鏈得到的產生截面為σ= 1.0+6 pbo但這次實驗的最感興趣的結果是它的衰變鏈和關于它的子核273110。圖8給出實驗中觀.測到的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 驗中觀測到的277112超重核衰變鏈的時間順序最近,CSI又對合成293118的實驗進行了驗證,結果見圖926]。發(fā)現(xiàn)他們得出的293118產生截面要小于Berkeley測得的。根據在以往實驗中合成超重核的數據按同位旋值的不同對它們進行線性擬合(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超重核的產生截面遠遠小于由Smolanezuk所預言的值(圖中的叉點)和由Berkeley 的實驗中得出的值(圖中空心圓點)2理論模型中國煤化工關于超重核的理論研究現(xiàn)在有許多種.MHCNMH G個量進行的。人們一般把超重核的合成分成兩個階段形成復合核過程和復合核退激過程而許多模型則把這兩個階段結合起來。目前有幾種關于形變超重核產生的動力學解釋。Hofmann用壘下熔合反應來解釋超重核的形成1的據對超重核由于勢壘很高復合核穿透勢壘的可能性很低熔合截面將會1期張豐收等超重核合成進展37很小而不可能測量到超重核。這種理論是10從對較輕核的熱熔合反應的描述而發(fā)展起來10"-CaIn Reactions-1μb的。Hofmann 在Von Oertm 模型的基礎10●0湖Pb, BiX Smolanczuk 1上[28]解釋說,復合核形成的開始(反應開始10*-階段)靶核的一部分質子轉移到彈核,這樣10°-x1nb勢壘將會降低熔合反應可以完成。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。Adamiann 認為在全部碰撞100 /barnIsHppb動能耗散以后- -個雙核系統(tǒng)將形成用這來106*(N-2)/2=34描述泠熔合反應29]。這樣的雙核系統(tǒng)憑借16↓. - .輕核的核子向重核的轉移,形成了一個復合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這種情況下,計圖9 GSI 給出的驗證293 118超重核產生截面的算結果和實驗結果符合得比較好。但是,對實驗值和Berkeley所測得的實驗值的比較這個比值所依賴的中子分離能、裂變勢壘、熱抑制的殼效應在模型中則完全沒有考慮。經典模型預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解釋,這與裂變位壘緊密相關。Armbruster提出來一個包括圍繞著主熔合軌道和溫度相關的殼修正的熱漲落模型用來描述對稱熱熔合反應導致的Z= 114球形超重核。計算得到的反應截面有幾十個微靶3132]。 但是對稱的熱反應要求強烈的放射性靶核和彈核這是目前實驗條件所達不到的。還有幾種理論模型33-36]在這里就不- -一討論了。Berkely根據Smolanczuk所提出的理論模型的預言37 38成功地合成了超重核293118。該模型是在基于雙幻核208Pb為靶核的基礎上,假設復合核通過量子隧道穿透熔合位壘而形成復合核通過蒸發(fā)中子來退激。給出的超重核1n 反應道的熔合生成截面為σ1( Em)= 2o( Em)Pin.( E*)(1)其中En是轟擊能量(質心坐標系的炮彈能量) σ( EHI是軌道角動量l上分波的熔合截面,P1n,( E* )是由復合核在總激發(fā)能為E*和軌道角動量為l 時發(fā)射出一個中子的幾.率。激發(fā)能為E*= EHn- Q(2)Q為基態(tài)能量,它的數值可以由彈靶質量減去復合核質量而得到。對于角動量l分波的熔合截面為中國煤化工σ( Em)= πMHCNMHG(3)其中λ為炮彈折合的de Broglie 波長2(4)=N 2μEmp為折合質量數據為勢壘穿透系數物理.學進展21卷1Tl= 1+ex( 2Se)(5)這個計算結果是從量子力學WKB近似得來的。在內外轉變點上的作用積分S, 可有近似關系Si= sd Em-左(L+1D)(6)2μRjRpu是勢壘作用半徑,So是離心勢壘為零時的作用積分。為簡單起見我們使用庫侖勢壘(Rfu為半徑來代替熔合勢壘,它只依賴于碰撞核的尺寸和電荷數。用穿透系數用公式( 5 )來計算可以更好的描述超重核的形成截面。對于So有表達式_ 2μEm/ Em， Em1So=√F2Emzz。e2arccosiBfiuBfuJ(7)Bfu = Z,Z,e2/Rpu(8)Bpu是庫侖勢壘的高度(熔合勢壘)。從實驗和理論計算都可以得到勢壘半徑Rru 和碰撞核接觸點距離R1的比值隨彈靶質子數的增加而下降。對Rqu假設有關系R12Rju=1- c/ZZp> R12(9)其中c是一個常數,它描述了在這樣簡單的圖象中所沒有詳細考慮的其它因素引起的效應。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。復合核退激一個中子發(fā)射道的幾率Pn( E*可以根據基態(tài)能和轉動能Erot 的差來表達。其中Erpo= h21( l+1 )/2J J是復合核沿對稱軸的轉動慣量_5151= J。[1+↓16π'(B2+28π險+75 [5'(11 )2Jo =號Acn m° ReN( 12)它是剛體的轉動慣量。對于球型核Acy和RcN分別是復合核的質量數和半徑,m是質量單位32和β4為形變系數此公式忽略了高維形變。中子發(fā)射退激和裂變退激的競爭可以用C( E* ,l )來描述,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)裂變勢壘高度Ba和熱抑制殼效應有關。在形MH中國煤化工能.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，復合核發(fā)射第二個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超重核的產生截面將達到最大則激發(fā)能為最佳。參數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)核美于能級密度的Bethe公式的假定下對于它有表達式1期張豐收等超重核合成進展39T,/T, = exp(2√anEn -2√apEj ),( 14)E*= Emt- Sn,(15)Ej = Em- B"a,( 16)其中an和a;分別為形變平衡點和形變鞍點處的能級密度參數。上面提到的復合核質量蒸發(fā)余核質量靜態(tài)裂變勢壘平衡點和鞍點的各量以及它的形變等這些都可以用宏觀微觀模型來計算。關于進-步的討論這里略過。表1利用Smolanczuk提出的模型計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70Zn277112243 . 68274.9412. 622.' 7pb10.071.016號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行計算的幾種合成超重核反應中一些物理量的計算與實驗值的比較。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.為計算得到的激發(fā)能σ為計算得到的產生截面,ER和σexl 為實驗結果。從表中可以看出實驗結果和計算結果比較符合。圖10給出了在合成293118中對于a粒子能量實驗值與Smolancznk計算結果、相對論平均場計算結果39]的比較。從圖中可以看出，Smolanezuk提出的理論模型和實驗值符合得更好。; 12--■-Data. Smolanczuk-0- RIF。1110-B馬8中國煤化工106 108 110:MHCNMHG圖10超重核293118 衰變產生的a粒子能量實驗值和幾種理論計算值的比較40物理.學進展21卷上面給出的是對超重核產生截面大小的討論,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 其中的菱形點表示已經合成的超重核( Z≥106)從圖中,可以看到E的大小分三個區(qū)域, E,最小的區(qū)域En= - 14.32 MeV )是在球性雙幻核208Pb)26附近下一個區(qū)域是在形變雙幻核20108162附近( Esh= -7.2 MeV )最后一個.區(qū)域是在核296114182附近,它非常接近于球性雙幻核298114184超重核。從這可以說明超重核2981141將會比較穩(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結論和展望，正如許多核物理學家指出的超重核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衰變的特點通過a衰變原子核更加穩(wěn)定來來抵抗裂變理論計算預言這些核具有形變殼穩(wěn)定。穩(wěn)定島可以到達預示著可以進行類似的反應產生其它超重核同位素這為核物理研究和超重元素化學性質研究打開了一個新領域。很明顯,超重核潛在的性質和應用前景得到國際廣泛的關注。主要大國如美國Berkeley、俄羅斯Dubna、德國GSI等從來都沒有放棄超重核合成的努力。最近法德合作項目MAFF建議利用加速豐中子裂變碎片嘗試合成超重核中國煤化工作為其主要研究目標之-[41]。中國作為一個大國從大國的責任MHCNMH展我國的超重核合成研究。從Berkeley的結果看他們得到了289114( Z=114 ,N= 175 ) ,偏離島中心298114( Z= 114 ,N= 184約9個中子,僅達到島的邊沿。GSI目前試圖利用76G( Z=32 ,N=44 )+ 208Pb-→283114( z=114 ,N= 169)+ n產生的283114( Z=114 ,N= 169 ) ,仍偏離島中心約15個中產數我們可采用如下反應,1期張豐收等超重核合成進展4136X& z=54 ,N=82)+ 208pb-[344x( z=136 ,N= 208 )]*→298114 z=114 ,N=184)+ 11a+2n最終達到穩(wěn)定島中心。利用中國科學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結合小器改進和ECR源的發(fā)展,制作必要的分離器(參照SHIP和BGS)進行小規(guī)模超重核合成探索逐步在超重區(qū)合成幾個新的超重核同位素，并逐步接近島中心其次在CSR完成后系統(tǒng)進行新的超重核同位素合成到達島中心。并系統(tǒng)研究超重核及其同位素的性質。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將是新的另一方面關于這一點可能比別的更重要。比較118 ,114 ,112 核素合成實驗可以發(fā)現(xiàn)在從112衰變到110時,所花費的時間分別為:285112- →28110是15.4min 28112-→277110是1750 ms ?27112-→273110 是240μus見圖12。從中不難看出中子越多則壽命越長如果中子數達到184超重核將會更穩(wěn)定。這里只列舉出了一個例子其它超重核同位素的壽命也顯示出同樣的結論。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看超重核在合成過程中要經歷兩個階段，形成復合核和復合核退.激。目前關于超重核的理論大都是計算它的產生截面和激發(fā)能而且比較成功的模型都是將這兩個過程放到一起考慮。用同位中國煤化工量子分子動力學模型42-46]同位旋相關的Boltzmann- LangevinMHCNMHG的,可以只計算它的復合過程。利用模型可以計算超重核的產生截面，但對-些參數需要改動真正的困難在于計算量由于超重核的產生截面太小度量都是以pb計，這需要算很多事件計算量很大。另外布巢閘豐中子次級束流48-51來進行實驗則有可能達到更多的中子。在過去物理.學進展21卷的實驗中除了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).定核這是由于當時不能提供豐中子不穩(wěn)定束流或束流強度太弱,而不適用于實驗。對于用穩(wěn)定束合成超重核來說在GSI和Dubna通常用的束流強度為0.5~2.0 puA假定所要合成的超重核它的產生截面一般為1pb使用的靶厚1018個原子/em2若用1 ppA的束來轟擊此靶經計算可知每天將會有0.5個計數而次級束將比穩(wěn)定束弱幾個數量級很顯然如果這樣考慮用次級束合成超重核是不現(xiàn)實的。但是由于放射性束的特殊性對于用次級束合成超重核的研究還是很有希望的原因有下面幾點。(1)用豐中子放射性束進行實驗所產生的復合核的中子數將比目前所有的核都要大,這樣將導致中子結合能的降低和裂變勢壘的增高復合核更容易發(fā)生發(fā)射中子退激超重核則很可能存活下來。對于核反應x中子道來說熔合反應中超重核的產生截面σxn可以近似寫為σxn=σmζ I,/T,)*這里σmn是熔合截面Tn/I,是復合核進行發(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; 是裂變勢壘,Bn是中子結合能，從這里我們可以看出裂變勢壘增大,中子結合能減少將直接導致超重核產生截面的增加?？梢怨烙嫵鰜?如果ON=7即豐中子核多出7個中子那么超重.核產生截面將增加10。這樣的話,它足以補償由于束流強度弱的不足;(2對于豐中子束產生的反應近壘熔合截面將會增加，這導致超重核的產生截面的增加。由于隨著復合核激發(fā)能的增加產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將會.有兩個優(yōu)點。首先在兩碰撞核的接觸點庫侖勢壘的影響將會降低這一點是非常明顯的。其次,由于豐中子核對中子弱的束縛這將會導致頸狀"復合核的形成這有利于近壘熔合截面的增加;(3對于用豐中子束發(fā)生的反應系統(tǒng)激發(fā)能通常要低于由穩(wěn)定核所引起的反應。用次級束流來合成超重核是一種全新的方法到目前為止還沒有人用它來做合成超，重核的實驗,雖然在技術上仍有-定的困難,但對我國將建成的CSR來說是-個很好的課題。致謝:作者感謝諸永泰先生的討論參考文獻[ 1 ]Oganessian Y T , Yeremin A V ,Popeko A G ,et al. 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