超鐨新核素鐒-251不僅是近20年來科研人員首次直接合成的鐒的新同位素，也是迄今為止合成的中子數(shù)N為148的最重同中子異位素。鐒-251具有α衰變性，可以發(fā)射出兩個不同能量的α粒子。

超重元素的合成及其結(jié)構(gòu)研究是當(dāng)前原子核物理研究的一個重要前沿領(lǐng)域。鐒是可供合成并進行研究的一種超鐨元素，引起了人們極大的興趣。

近日，科研人員利用美國阿貢國家實驗室充氣譜儀(AGFA)成功合成了超鐨新核素鐒-251。相關(guān)成果發(fā)表于核物理學(xué)領(lǐng)域期刊《物理評論C》。

此次合成鐒的新同位素，運用了什么技術(shù)方法?合成得到的鐒-251，具有什么基本特征?合成的鐒-251對于物理、化學(xué)等學(xué)科的研究來說具有什么意義?針對上述問題，記者采訪了這一工作的主要完成人之一，中國科學(xué)院近代物理研究所副研究員黃天衡。

不斷進行探索，再次合成鐒同位素

鐒的化學(xué)符號為Lr，原子序數(shù)為103，是第11個超鈾元素，也是最后一個錒系元素。“一般來說，原子序數(shù)大于鐒的元素被稱為超重元素。”黃天衡介紹。

質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的同一元素的不同核素互稱為同位素。同一種元素的同位素在化學(xué)元素周期表中占有同一個位置，同位素這個名詞也因此而得名。

103號元素由阿伯特·吉奧索等科研人員于1961年首次合成。為紀(jì)念著名物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·勞倫斯，103號元素被命名為鐒。錒系元素是元素周期表ⅢB族中原子序數(shù)為89—103的15種化學(xué)元素的統(tǒng)稱，其中，鐒元素在錒系元素中排名最后。

截至目前，科研人員們共合成了鐒的14個同位素，質(zhì)量數(shù)分別為251—262、264、266。目前合成的鐒的14個同位素中，鐒-251至鐒-262是在實驗中通過熔合反應(yīng)直接合成的，鐒-264和鐒-266則是將原子序數(shù)更高的核素通過衰變生成的。

目前，鐒的化學(xué)研究中最常使用的同位素是鐒-256和鐒-260。科研人員通過化學(xué)實驗證實鐒為镥的較重同系物，具有+3氧化態(tài)，可以被歸類為元素周期表第七周期中的首個過渡金屬元素。由于鐒的電子組態(tài)與镥并不相同，鐒在元素周期表中的位置可能比預(yù)期的更具有波動性。在核結(jié)構(gòu)研究方面，受限于合成截面等原因，目前的研究僅集中在鐒-255上。然而即使是鐒-255，其結(jié)構(gòu)能級的指認(rèn)目前也還存有爭議。

通過熔合反應(yīng)，形成新的原子核

鐒和其他原子序數(shù)大于100的超鐨元素一樣，無法通過中子捕獲生成。目前鐒只能在重離子加速器中通過熔合反應(yīng)合成。由于原子核都具有正電荷而會相互排斥，因此，只有當(dāng)兩個原子核的距離足夠近的時候，強核力才能克服上述排斥并發(fā)生熔合。粒子束需要通過重離子加速器進行加速。在轟擊作為靶的原子核時，粒子束的速度必須足夠大，以克服原子核之間的排斥力。

“僅僅靠得足夠近，還不足以使兩個原子核發(fā)生熔合。兩個原子核更可能會在極短的時間內(nèi)發(fā)生裂變，而非形成單獨的原子核。”黃天衡介紹，如果這兩個原子核在相互靠近的時候沒有發(fā)生裂變，而是熔合形成了一個新的原子核，此時新產(chǎn)生的原子核就會處于非常不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)。為了達到更穩(wěn)定的狀態(tài)，新產(chǎn)生的原子核可能會直接裂變，或放出一些帶有激發(fā)能量的粒子，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的原子核。

在此次實驗中，科研人員利用美國阿貢國家實驗室ATLAS直線加速器提供的鈦-50束流轟擊鉈-203靶，通過熔合反應(yīng)合成了目標(biāo)核鐒-251。這個新的原子核產(chǎn)生后，會和其他反應(yīng)產(chǎn)物一起被傳輸?shù)匠錃庾V儀(AGFA)中。在充氣譜儀(AGFA)中，鐒-251會被電磁分離出來，并注入到半導(dǎo)體探測器中。探測器會對這個新原子核注入的位置、能量和時間進行標(biāo)記。

“如果這個原子核接下來又發(fā)生了一系列衰變，這些衰變的位置、能量和時間將再次被記錄下來，直至產(chǎn)生了一個已知的原子核。該原子核可以由其所發(fā)生的衰變的特定特征來識別。”黃天衡說。根據(jù)這個已知的原子核以及之前所經(jīng)歷的系列連續(xù)衰變的過程，科研人員可以鑒別注入探測器的原始產(chǎn)物是什么。

超鐨新核素鐒-251不僅是近20年來科研人員首次直接合成的鐒的新同位素，也是迄今為止合成的中子數(shù)N為148的最重同中子異位素(具有相同中子數(shù)的核素)，還是利用充氣譜儀(AGFA)合成的首個新核素。目前的實驗結(jié)果表明，鐒-251具有α衰變性，可以發(fā)射出兩個不同能量的α粒子。

拓展新的領(lǐng)域，推動超重核理論研究

由于形變，若干決定超重核穩(wěn)定島位置的關(guān)鍵軌道能級會降低到質(zhì)子數(shù)Z約等于100、中子數(shù)N約等于152核區(qū)的費米面附近。對于這一核區(qū)的譜學(xué)研究可以對現(xiàn)有描述穩(wěn)定島的各個理論模型進行嚴(yán)格檢驗, 從而進一步了解超重核穩(wěn)定島的相關(guān)性質(zhì)。由于上述原因，對于這一核區(qū)的譜學(xué)研究是當(dāng)下探索超重核結(jié)構(gòu)性質(zhì)的熱點課題。

此前的理論模型均無法準(zhǔn)確地描述這一核區(qū)鐒的質(zhì)子能級演化，相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)十分有限。“本次實驗的初衷為把鐒的結(jié)構(gòu)研究進一步拓展到豐質(zhì)子區(qū)，嘗試開展系統(tǒng)性的研究。”黃天衡表示。

研究結(jié)果表明，形成超重核穩(wěn)定島的關(guān)鍵質(zhì)子能級在鐒的豐質(zhì)子同位素中存在能級反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。此外，研究人員還通過推轉(zhuǎn)殼模型下粒子數(shù)守恒方法(PNC-CSM)較好地描述了這一現(xiàn)象，并指出了ε_6形變在這一核區(qū)的質(zhì)子能級演化中起到的重要作用。

“此次研究指出了ε_6形變在鐒的豐質(zhì)子核區(qū)的質(zhì)子能級演化中起到的重要的作用，對現(xiàn)有的理論研究提出了新的挑戰(zhàn)，將推動超重核領(lǐng)域相關(guān)理論研究的發(fā)展。”黃天衡說。