超重核合成进展

第21卷第1期物理学进展Vol.21 ,No.12001年3月PROGRESS IN PHYSICSMar.2001文章编号:1000-0542 2001 )01-0029-16超重核合成进展张丰收123明照宇12 靳根明12I(兰州重离子加速器国家实验室原子核理论研究中心兰州730000)2(中国科学院近代物理研究所兰州730000 )3(中国高等科学技术中心北京100080 )摘要:介绍了超重核合成的历史和现状对现有的超重核合成的实验情况和理论模型做了评述指出了在国内利用现有设备和放射性核束装置开展超重核合成可能的方案。关键词:超重核泠熔合热熔合放射性核束中图分类号: 0571.2文献标识码: A0引言1999初在美国劳伦茨贝克莱国家实验室,利用88-英寸回旋加速器进行了86 Kr( 449 MeV )+ 208pB 冷熔合"反应采用贝克莱充气分离器BGS观测到了由6个a粒子组成发射链的3个事件,首次确定了Z= 118、116超重核的产生和衰变( Z= 114超重核的同位素核曾由俄罗斯杜布纳联合核子研究所通过热熔合”反应产生发表在1999年的自然杂志上1]),Z= 112、110、108和106的同位素核也是首次观测到的。其研究结果已于1999年6月发表在美国物理评论快报.上[2]。这项研究对核物理、物理学和化学乃至整个科学界产生巨大的影响31。国际多家新闻媒体对此事做了报道,认为这可能是近年来核物理研究的重大研究成果将对核物理研究甚至科学技术的发展起到促进作用。稳定核的上限不但对原子核结构而且对理解宇宙的结构有十分重要的意义。另外,超重核的合成及其性质研究对促进科学发展也有十分重要的意义。超重核对化学家来说将有新的化合物、对材料学研究将打开新材料的大门、对原子物理学家预言着有新原子产生、对工程师来说有可能有新燃料。这一问中国煤化工室-直致力于研究，的课题。MYHCNMHG收稿日期2000-9-20修收日期2000-10-20基金项目国家自然科学基金( 19875068、19847002 )国家重点基础研究发展规划G2000077407 )和中国科学院基金资助E- mail :sz百h方数据. LZB. AC. CN0物理.学进展21卷正如人们所知原子核的许多性质如原子核的质量和平均结合能可通过类比液滴模型来描述。然而液滴模型不能描述核内质子和中子的排列情况，这种排列确定了原子核的准确性质和准确的结合能。和原子中电子的结构一样,原子核也呈现出壳效应。对确定数目的质子和中子幻数核具有稳定的构型。对双幻核,中子和质子都处于满壳,因此具有特别高的结合能。4He、 160、40Ca、48 Ca和208 Pb是稳定双幻核的典型代表,而56 Ni、78 Ni、I00Sn、132Sn是不稳定双幻核。在自然界中是否存在比铀更重的具有双幻结构的核一直吸引着科学界。同双幻核208Pb一样壳模型理论预言了超重核的存在208Pb的下一个双幻核将是298114 ,它具有114个质子、184个中子的双幻核4。基于Strutinsky 方法S]所预言的Z= 114 ,N= 184核具有极强的壳修正能量和均匀的球形,这是稳定双幻核存在的重要条件67。基于Hatree-Fock计算发现在大质量区最稳定的超重核是z= 120或z= 1268-11]。这些理论计算预言在围绕298114有一个稳定岛”298114处于岛的中心。因为理论预言它们的半衰期很长所以人们希望在自然界中找到它们,但到目前为止一直没有成功,只能在实验室中凭借核反应的手段来合成超重元素了。目前人们的探索主要集中在形变双幻核的性质,如宏观-微观模型12~15]推广的托马斯-费米模型16]自洽Hartree- Fock-Bogoliubov模型17]、Hartree Fock方法10]和相对论平均场方法18]。另外,已经确认中子星是由占绝大多数的中子和少量的质子组成的、具有和太阳质量相当的核子体系。本文只局限于围绕298114超重核的探索。到目前为止合成超重核的最成功的实验方法是先用重靶核进行熔合蒸发反应然后对蒸发余核反冲分离在余核植入位置灵敏探测器后凭借它的衰变链来判断是否是超重核。基于此稳定和高强度的束流仍是实验的必备条件。九十年代中期,CSI发现了新的.超重核269110 272111 27112等这为超重核的研究开辟了新的一页19~21]。289114 293118的发现增强了人们合成超重核的信心但是这些核和人们所期待的由宏观微观理论模型计算出的Z= 114、Z=120或Z= 126中子数为184 双幻核的超重岛心还相距甚远,不是人们预期的长寿命的稳定核。在对这些超重核的合成中人们利用了热熔合和冷熔合两种反应机制来进行。这两种反应机制的区别在于复合核形成中系统激发能的不同热熔合就是在退激过程中要发射4~5个中子而冷熔合就是在退激过程中发射1 ~2个中子。在最初的超重核合成反应中-般使用热熔合方式。因为当时理论计算还不能很准确地预言反应过程中最佳入射能量和复合核的激发能数值。而到了最近几年各种理论模型的建立和更现代探测设备的建造使超重核的认识上了新的台阶。对于实验中所出现的各种能量都可以很精确地给出，可以采用冷熔合反应来合成超重核。当前关于超重核的理论预言多种多样中国煤化工成超重核的最佳反应体系以及最佳入射能量,在这种情况下超MHCNMH现在已知合成的超重核都是用全熔合反应生成的弹核的最小入射能量必须要克服库仑位垒，为了使复合核不发生裂变激发能也要尽可能地小这和入射能量就有很大的关系。所以选择一个合适的入射能量是实验所必须的。在本文府第固部分对历史上人们在超重核合成中取得的经验做一些评述在第三部1期张丰收等超重核合成进展31分评述了超重核合成的理论模型。最后给出在国内开展超重核合成特别是采用放射性.核束装置来合成超重核的一-些建议。1历史上已做的尝试对于超重核的合成刚开始人们以为很简单，认为超重核具有和U、Th相同的寿命,可以宏观测量。这导致世界上多台加速器的建造:如我国的HIRFL前苏联的Dubna、美国的Berkeley.前西德的GSI法国Orsay等都把超重核合成做为其主要研究方向。但到八十年代经过世界范围的寻找人们已清楚超重核的寿命很短并且很难产生人们企图寻找其踪迹和合成的愿望都成了泡影。作为一个领域超重核合成似乎停止了。正如人们所知到的一个关于超重核的实验首先要根据一个合适的理论模型来确定两点( 1 )冶成超重核的性质质子数、中子数、半衰期及衰变道( 2 )特定体系的最佳入射能量和超重核的可能产生截面。随着实验条件的不断改变实验室合成超重核方面的工作取得了显著的成绩。在1974年当第106号元素Sg合成后人们发现建立在以锕系元素为靶核的核反应合成超重核的方法已经到了尽头。由于合成的核素越来越重而复合核的退激裂变几率也随着增强例如45 MeV时的热复合核就容易进行裂变退激。在最近的研究中人们利用了热熔合和冷熔合两种反应。这两种反应的区别在于复合核形成中系统激发能的不同热熔合就是在退激过程中要发射4~5个中子而冷熔合在退激过程中只发射1~2个中子。即使有了这许多经计算所确定的量在花费了大量的束流时间后发现超重核的几率也很低。面对这些困难寻找超重核合成的方法在国际上一-些大型实验室一直没有中断几十年来人们共合成了23( Z=93-112 ,114 ,116 ,118个超铀元素,Berkeley. Dubna和GSI在这一领域的研究中取得不同程度的成功。1. 1Berkeley的情况合成L( Z=103)R( Z=104)后又用180(95 MeV )+ 249Cf-→263sg( Z= 106)+ 4n合成了sg( Z= 106)特别是合成的Z= 118、116把超重核合成的研究掀向高潮21。Berkeley合成Z= 118、116超重核的关键设备是配有ECR源的88-英尺的回旋加速器和充气分离器BGS。88-英尺的回旋加速器是Lawrence设计的第三代回旋加速器,由于采用了ECR源,该加速器能够加速从H到U离子。另外采用ECR源不管对天然源还是增强源都增加了使用稳定核稀有同位素的效率。如实验中使用的86K{ z=26 ,N=50)是Kr的最丰中子稳定同位素采用了增强材料这导致加速器束流强度达到2x1012pps这是超重核Z=118合成的关键。超重MH中国煤化工关键之处是BCS其结构示意图见图1。BGS具有非常卓越的分CNMH G点。在实验中,BCS，强磁场能够对超重核Z= 118聚焦并把超重核Z= 118和束流及其它反应产物分开。由于弹靶每作用102次才产生1个超重核Z= 118 ,由此对探测设备有下面两点要求即尽可能多的俘获生成的超重核Z=118、没有其它反应产物打入探测器而导致本底计数增加。BGS的探测效率达到75 %是目前同类型探测器中效率最高的。分离出的超重核Z32物理学进展21卷= 118被注入到固体硅条探测器通过电子学方法寻找该探测器中的a粒子并记录其每次衰变的位置和能量。为了降低束流和其它反应产物的本底影响在固体硅带探测器前放置了一个薄的PPAC。这种探测器被用来区分注入原子导致的与束流有关的粒子和事件中具有很高的效率(达到99%)束流监控棵测器柬流轨道真空腔探测器.靶'焦平面探测器四极磁铁梯度场平直场PPAC磁铁二极磁铁EVR轨道图1 Berkeley 的充气分离器BGS采用88-英尺的回旋加速器提供86Kr束流轰击208Pb 86Kr的入射能量为449 MeV稍高于库仑位垒形成具有低激发能的重复合核。该复合核发射一个中子后最终形成293118即86Kx( 449 MeV )+ 208Pb-→293118+ n。BGS最终探测出产生了超重核293118 ,在其生成120μs后,Z=118 发射了一个a粒子衰变成为289116 289116通过发射a粒子接着衰变成28114。该a粒子发射链最终衰变成为269sg(Z= 106)在11天的实验中观测到了3个a粒子衰变链见图2表明产生了3个超重核293118。对这些新的同位素Z=118、116、114、112、110、108的衰变能量和寿命的测量,证明了稳定岛存在的可能性。|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闻|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)中国煤化工! 978M2V! 9.47 MEV2.133 ms| 29sg 1.203s2Sg | 2.1079 .SgCNMHG2. 87 MeV lescapel8.7421. 53s43.10 s图2在实验中观测到的293 1 18超重核衰变链的时间顺序1期张丰收等超重核合成进展3. 1.2 Dubna的情况俄罗斯联合核研究所( Dubna )尝试了包括通过地下核试验在内的多种方法,合成了R(Z=104)Dl(Z=105等多种超重核及其同位素。289114超重核是Dubna核反应实验室的研究组与美国利弗墨尔国家实验室的研究组合作在杜布纳U-400重离子回旋加速器上,用48Ca 轰击244Pu靶,以3n蒸发道产生的。图5给出了探测超重核289114时的主要装置重离子静电反冲分离器(VASSILISSA522],其结构见图3。VASSILISSA 是1987年安装在U-400重离子回旋加速器上的。它主要是由三组静电偶极场构成这是为了将融合后的反冲核、多核子转移反应产物和入射束流粒子分离出来。反冲核经第-组静电偶极场偏转8后进入第二组静电偶极场。反应剩余的入射粒子和其他粒子在这里将会被全部阻塞。装置的探测系统由一个飞行时间探测器和一个Si探测器阵列构成。磁偏转时间飞行谱仪位置灵敏探测器阵静电偏转-100最焦四级磁铁-400W-100V^反冲原子聚焦四级碓铁t B)10東波阻止ca東泥”“Pu靶图3 Dubna 的静电反冲分离器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)中国煤化工108 1.6min(2- 20 min)MYHCNMHG*172MeV (120+52)SF16.5 tmin位置偏移(a)(b)图4在实验中观测到的289114超重核衰变链的时间顺序( a和反冲核衰变事件的位置偏移( b)34物理学进展21卷在34天的时间内束流能量为236MeV束流平均强度为4x1012pps观测到一个a衰变链。靶以PuO2的形态的浓缩44Pu( 98.6% )沉积到1.5 μm厚的Ti箔上靶厚0.37mg/em。实验中将9块靶装在一个转盘上，以每分钟2000转的速度快速转动。从靶上反冲出的蒸发余核( EVR )通过充气分离器后,与 束流粒子和各种转移反应产物分开穿过TOF系统注入焦面探测器进行分辨。图4给出实验中观测到的289114超重核的衰变链和反冲核衰变事件的位置偏移。从图4( b )中可以看出观测到的几个a粒子几乎都是在同一地方出现的这表示它们具有强烈的相关性。又由探测到的a粒子时间顺序不难得出结论,它们是由一个母核289 114衰变而来的289114 的产生截面约为1pbo1.3 GSI的情况使用Unilac加速器、重离子反应产物分离器SHIP和衰变关联探测器采用冷熔合反应自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。 图5给出GSI重离子反应产物分离器SHIP的结构23-251。当反应发生后,反应产物经过滤器进行产物分离利用TOF探测器探测产物的飞行时间然后用Si探测器和(探测器对产物鉴别。过滤器由两组导电板、四块磁铁组成的磁偶极场和两组四极聚焦透镜构成。新的过滤器添加了第五块偏转磁铁,它是用来确定束流线探测器的位置以便使实验中本底的影响达到最小。整个SHIP从靶到探测器的总长度是11米,反应产物通过整个装置的时间约为2μSo.Y探测器↑Si探测器时间飞行探测器75*磁铁靶轮磁铁束流阻止电场进镜中国煤化工图5GSI的重离子反应MHCNMHG超重核269110是GSI科学家用库仑位垒附近的入射能量的弹核62 Ni轰击铅靶所合成的。实验中,束流是由ECR源提供的靶上束流强度为平均每秒有3x 102个粒子通过,靶是由厚度为450 μug/em2纯度为99 .0%的铅沉淀到厚度为40 μg/cm2的碳膜上制成的。实验中将万唤这样的靶放到一个轮子上轮子以每分钟1125 圈旋转。从1994年11月81期张丰收等超重核合成进展3:日开始连续12天的实验中在同一地方相继发现了4条a粒子衰变链,证实它们都是由核269110衰变而来的。它的产生截面是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图6给出实验中观测到269110超重核的4条衰变.链中的3条。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单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图6在实验 中观测到的269110超重核衰变链的时间顺序随后又用入射能量为313.0 MeV和315.5 MeV的炮弹64Ni轰击铅靶在12天的束流时间内共发现9个a衰变事件,它们可归类为3组分析表明它们都是从母核27110.衰变而来的最大的反应截面σmax= 15+号pb激发能为E*=12.1 MeV 而且根据这些事.件可以确定核27110的组态。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中国煤化工Date:08- Dec - 1994Date:13-Dec- 1994YHCNMHGTme:05:49 hTme:06:20 hTime:06:03 h图7在实验中观测到的22111 超重核衰变链的时间顺序从19分氨据月1日开始到18日,又先用能量为316.1 MeV的4Ni轰击?09Bi这个36物理学进展21卷能量是根据上面实验所选择的但在这个入射能量下一直没有观测到衰变事件。在调高束流能量到318.1 MeV 后观测到第一个272111 衰变事件测得反应截面σ= 1.733 pb,然后又在320.0 MeV入射能量下测到两个事件反应截面σ=3.5t2:3pbo而在这3条链中只有-条是完整的,它由5个衰变事件组成。图7给出实验中观测到的272111超重核的衰变链。从1996年1月26日到3月7日,GSI 的科学家利用炮弹70Zn轰击208 Pb来探测质子数为112的超重核。共观测到277112 的两条a衰变链得到的产生截面为σ= 1.0+6 pbo但这次实验的最感兴趣的结果是它的衰变链和关于它的子核273110。图8给出实验中观.测到的277112超重核的衰变链。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图8在实 验中观测到的277112超重核衰变链的时间顺序最近,CSI又对合成293118的实验进行了验证,结果见图926]。发现他们得出的293118产生截面要小于Berkeley测得的。根据在以往实验中合成超重核的数据按同位旋值的不同对它们进行线性拟合(下面一条线的同位旋自由度( N-Z )/2为3上面一条线的 .则为4)发现由拟合直线外推得出的Z=118超重核的产生截面远远小于由Smolanezuk所预言的值(图中的叉点)和由Berkeley 的实验中得出的值(图中空心圆点)2理论模型中国煤化工关于超重核的理论研究现在有许多种.MHCNMH G个量进行的。人们一般把超重核的合成分成两个阶段形成复合核过程和复合核退激过程而许多模型则把这两个阶段结合起来。目前有几种关于形变超重核产生的动力学解释。Hofmann用垒下熔合反应来解释超重核的形成1的据对超重核由于势垒很高复合核穿透势垒的可能性很低熔合截面将会1期张丰收等超重核合成进展37很小而不可能测量到超重核。这种理论是10从对较轻核的热熔合反应的描述而发展起来10"-CaIn Reactions-1μb的。Hofmann 在Von Oertm 模型的基础10●0湖Pb, BiX Smolanczuk 1上[28]解释说,复合核形成的开始(反应开始10*-阶段)靶核的一部分质子转移到弹核,这样10°-x1nb势垒将会降低熔合反应可以完成。这种利100-"Ci““Ni用垒下融合模拟超重核合成的方法是否可10""TreE∞°Zn 不五i BCS10”-靠还需要检验。Adamiann 认为在全部碰撞100 /barnIsHppb动能耗散以后- -个双核系统将形成用这来106*(N-2)/2=34描述泠熔合反应29]。这样的双核系统凭借16↓. - .轻核的核子向重核的转移,形成了一个复合Btement number核。他假定在108< 7<113区域,中子发射和核裂变宽度的比值为常数这种情况下,计图9 GSI 给出的验证293 118超重核产生截面的算结果和实验结果符合得比较好。但是,对实验值和Berkeley所测得的实验值的比较这个比值所依赖的中子分离能、裂变势垒、热抑制的壳效应在模型中则完全没有考虑。经典模型预言由于核子间的摩擦系统将有大量的能量失去所以Swiatecki提出了用通道障碍来分析超重变形核30]形变超重核的形成可以用外推模型方法来解释,这与裂变位垒紧密相关。Armbruster提出来一个包括围绕着主熔合轨道和温度相关的壳修正的热涨落模型用来描述对称热熔合反应导致的Z= 114球形超重核。计算得到的反应截面有几十个微靶3132]。 但是对称的热反应要求强烈的放射性靶核和弹核这是目前实验条件所达不到的。还有几种理论模型33-36]在这里就不- -一讨论了。Berkely根据Smolanczuk所提出的理论模型的预言37 38成功地合成了超重核293118。该模型是在基于双幻核208Pb为靶核的基础上,假设复合核通过量子隧道穿透熔合位垒而形成复合核通过蒸发中子来退激。给出的超重核1n 反应道的熔合生成截面为σ1( Em)= 2o( Em)Pin.( E*)(1)其中En是轰击能量(质心坐标系的炮弹能量) σ( EHI是轨道角动量l上分波的熔合截面,P1n,( E* )是由复合核在总激发能为E*和轨道角动量为l 时发射出一个中子的几.率。激发能为E*= EHn- Q(2)Q为基态能量,它的数值可以由弹靶质量减去复合核质量而得到。对于角动量l分波的熔合截面为中国煤化工σ( Em)= πMHCNMHG(3)其中λ为炮弹折合的de Broglie 波长2(4)=N 2μEmp为折合质量数据为势垒穿透系数物理.学进展21卷1Tl= 1+ex( 2Se)(5)这个计算结果是从量子力学WKB近似得来的。在内外转变点上的作用积分S, 可有近似关系Si= sd Em-左(L+1D)(6)2μRjRpu是势垒作用半径,So是离心势垒为零时的作用积分。为简单起见我们使用库仑势垒(Rfu为半径来代替熔合势垒,它只依赖于碰撞核的尺寸和电荷数。用穿透系数用公式( 5 )来计算可以更好的描述超重核的形成截面。对于So有表达式_ 2μEm/ Em， Em1So=√F2Emzz。e2arccosiBfiuBfuJ(7)Bfu = Z,Z,e2/Rpu(8)Bpu是库仑势垒的高度(熔合势垒)。从实验和理论计算都可以得到势垒半径Rru 和碰撞核接触点距离R1的比值随弹靶质子数的增加而下降。对Rqu假设有关系R12Rju=1- c/ZZp> R12(9)其中c是一个常数,它描述了在这样简单的图象中所没有详细考虑的其它因素引起的效应。R12是弹核与靶核的半密度半径之和R12 = CR+ C,Rp( 10)R, ,R。分别是靶核和弹核的半径。复合核退激一个中子发射道的几率Pn( E*可以根据基态能和转动能Erot 的差来表达。其中Erpo= h21( l+1 )/2J J是复合核沿对称轴的转动惯量_5151= J。[1+↓16π'(B2+28π险+75 [5'(11 )2Jo =号Acn m° ReN( 12)它是刚体的转动惯量。对于球型核Acy和RcN分别是复合核的质量数和半径,m是质量单位32和β4为形变系数此公式忽略了高维形变。中子发射退激和裂变退激的竞争可以用C( E* ,l )来描述,Tn/TG(E*,l)=Iy+ T。= 1+ Tn/Tj( 13)In和r,分别为中子发射退激和裂变退激的分波宽度,它们与中子分离能S,. 静态裂变势垒高度Ba和热抑制壳效应有关。在形MH中国煤化工能.大于单中子分离能S,而小于两中子分离能2Sn和裂变间CNMHG增加，复合核发射第二个中子和裂变的几率将大大的增加所以保持激发能和单中子分离能一致这时超重核的产生截面将达到最大则激发能为最佳。参数r,/Tr是在各模型中都提到的量,它是中子退激和裂变退激分波宽度的比值,在高激发核美于能级密度的Bethe公式的假定下对于它有表达式1期张丰收等超重核合成进展39T,/T, = exp(2√anEn -2√apEj ),( 14)E*= Emt- Sn,(15)Ej = Em- B"a,( 16)其中an和a;分别为形变平衡点和形变鞍点处的能级密度参数。上面提到的复合核质量蒸发余核质量静态裂变势垒平衡点和鞍点的各量以及它的形变等这些都可以用宏观微观模型来计算。关于进-步的讨论这里略过。表1利用Smolanczuk提出的模型计算在超重核合成的一些物理 量的值(靶核均为208pb)QBuE*E&xpHIERσexpMeV64Ni217110224.50256. 8613.7020pb11.7415号70Zn277112243 . 68274.9412. 622.' 7pb10.071.016号84Kr29118301 . 82328.9612.8111pb86Kr293118304.41328.3013.31670pb94Sr301 120320. 44344.7613.471.4nb96Sr303 120317. 94344.112.75350pb表1给出按照上面理论进行计算的几种合成超重核反应中一些物理量的计算与实验值的比较。其中HI为入射核,ER为可能生成的超重核,Q为基态能,Bfu为溶合位垒高.度,E.为计算得到的激发能σ为计算得到的产生截面,ER和σexl 为实验结果。从表中可以看出实验结果和计算结果比较符合。图10给出了在合成293118中对于a粒子能量实验值与Smolancznk计算结果、相对论平均场计算结果39]的比较。从图中可以看出，Smolanezuk提出的理论模型和实验值符合得更好。; 12--■-Data. Smolanczuk-0- RIF。1110-B马8中国煤化工106 108 110:MHCNMHG图10超重核293118 衰变产生的a粒子能量实验值和几种理论计算值的比较40物理.学进展21卷上面给出的是对超重核产生截面大小的讨论,而核的稳定性也是非常重要的。超重核的壳修正能量E可以很好地表征它的稳定性超重核的壳修正能量越小则此核越稳定。图11给出了壳修正能量E,在N- z( Z=82~ 120 ,N= 126 ~ 188 )核素图上的等高线。相邻的等高线值相差1 MeV 其中的菱形点表示已经合成的超重核( Z≥106)从图中,可以看到E的大小分三个区域, E,最小的区域En= - 14.32 MeV )是在球性双幻核208Pb)26附近下一个区域是在形变双幻核20108162附近( Esh= -7.2 MeV )最后一个.区域是在核296114182附近,它非常接近于球性双幻核298114184超重核。从这可以说明超重核2981141将会比较稳定的。120 tEa.(MeY)110-5|Z5/10090(-2130140150160 170180190N图11壳修正能量 Eg在N-Z( Z=82~ 120 ,N= 126~ 188 )核素图上的等高线3结论和展望，正如许多核物理学家指出的超重核z= 118、116的发现,证明了稳定岛存在的可能性。这些超重核都具有a衰变的特点通过a衰变原子核更加稳定来来抵抗裂变理论计算预言这些核具有形变壳稳定。稳定岛可以到达预示着可以进行类似的反应产生其它超重核同位素这为核物理研究和超重元素化学性质研究打开了一个新领域。很明显,超重核潜在的性质和应用前景得到国际广泛的关注。主要大国如美国Berkeley、俄罗斯Dubna、德国GSI等从来都没有放弃超重核合成的努力。最近法德合作项目MAFF建议利用加速丰中子裂变碎片尝试合成超重核中国煤化工作为其主要研究目标之-[41]。中国作为一个大国从大国的责任MHCNMH展我国的超重核合成研究。从Berkeley的结果看他们得到了289114( Z=114 ,N= 175 ) ,偏离岛中心298114( Z= 114 ,N= 184约9个中子,仅达到岛的边沿。GSI目前试图利用76G( Z=32 ,N=44 )+ 208Pb-→283114( z=114 ,N= 169)+ n产生的283114( Z=114 ,N= 169 ) ,仍偏离岛中心约15个中产数我们可采用如下反应,1期张丰收等超重核合成进展4136X& z=54 ,N=82)+ 208pb-[344x( z=136 ,N= 208 )]*→298114 z=114 ,N=184)+ 11a+2n最终达到稳定岛中心。利用中国科学院近代物理研究所的现有加速器是可能完成以上想法的。首先利用小器SFC结合小器改进和ECR源的发展,制作必要的分离器(参照SHIP和BGS)进行小规模超重核合成探索逐步在超重区合成几个新的超重核同位素，并逐步接近岛中心其次在CSR完成后系统进行新的超重核同位素合成到达岛中心。并系统研究超重核及其同位素的性质。从目前的情况看超重核的合成正迅速发展合成更重的核是一方面,而使这些核生存下来将是新的另一方面关于这一点可能比别的更重要。比较118 ,114 ,112 核素合成实验可以发现在从112衰变到110时,所花费的时间分别为:285112- →28110是15.4min 28112-→277110是1750 ms ?27112-→273110 是240μus见图12。从中不难看出中子越多则寿命越长如果中子数达到184超重核将会更稳定。这里只列举出了一个例子其它超重核同位素的寿命也显示出同样的结论。471177161243u5116115mt 11415min113*112| *112 |R40u51750ms15mEn112111. 10P110110”10|110120u556ms| 0.155.5.6min| 11057158159 160161162163164165166167168169170171 172 173 174175N图12最新几种合 成超重核( Z> 110在元素周期表中的位置及它们的半衰期从上面谈到的来看超重核在合成过程中要经历两个阶段，形成复合核和复合核退.激。目前关于超重核的理论大都是计算它的产生截面和激发能而且比较成功的模型都是将这两个过程放到一起考虑。用同位中国煤化工量子分子动力学模型42-46]同位旋相关的Boltzmann- LangevinMHCNMHG的,可以只计算它的复合过程。利用模型可以计算超重核的产生截面，但对-些参数需要改动真正的困难在于计算量由于超重核的产生截面太小度量都是以pb计，这需要算很多事件计算量很大。另外布巢閘丰中子次级束流48-51来进行实验则有可能达到更多的中子。在过去物理.学进展21卷的实验中除了Dubna曾采用丰中子束48Ca为炮弹外其它的弹靶都是稳定核或接近稳.定核这是由于当时不能提供丰中子不稳定束流或束流强度太弱,而不适用于实验。对于用稳定束合成超重核来说在GSI和Dubna通常用的束流强度为0.5~2.0 puA假定所要合成的超重核它的产生截面一般为1pb使用的靶厚1018个原子/em2若用1 ppA的束来轰击此靶经计算可知每天将会有0.5个计数而次级束将比稳定束弱几个数量级很显然如果这样考虑用次级束合成超重核是不现实的。但是由于放射性束的特殊性对于用次级束合成超重核的研究还是很有希望的原因有下面几点。(1)用丰中子放射性束进行实验所产生的复合核的中子数将比目前所有的核都要大,这样将导致中子结合能的降低和裂变势垒的增高复合核更容易发生发射中子退激超重核则很可能存活下来。对于核反应x中子道来说熔合反应中超重核的产生截面σxn可以近似写为σxn=σmζ I,/T,)*这里σmn是熔合截面Tn/I,是复合核进行发射中子退激和裂变退激分波宽度的比值,它可以近似表成I/Ir=exp B,- B,)T ,B; 是裂变势垒,Bn是中子结合能，从这里我们可以看出裂变势垒增大,中子结合能减少将直接导致超重核产生截面的增加。可以估计出来,如果ON=7即丰中子核多出7个中子那么超重.核产生截面将增加10。这样的话,它足以补偿由于束流强度弱的不足;(2对于丰中子束产生的反应近垒熔合截面将会增加，这导致超重核的产生截面的增加。由于随着复合核激发能的增加产生超重核的几率将下降的很快所以要用尽可能小的入射能量则对近熔合位垒的研究是非常必要的。如果用丰中子核束引起反应将会.有两个优点。首先在两碰撞核的接触点库仑势垒的影响将会降低这一点是非常明显的。其次,由于丰中子核对中子弱的束缚这将会导致颈状"复合核的形成这有利于近垒熔合截面的增加;(3对于用丰中子束发生的反应系统激发能通常要低于由稳定核所引起的反应。用次级束流来合成超重核是一种全新的方法到目前为止还没有人用它来做合成超，重核的实验,虽然在技术上仍有-定的困难,但对我国将建成的CSR来说是-个很好的课题。致谢:作者感谢诸永泰先生的讨论参考文献[ 1 ]Oganessian Y T , Yeremin A V ,Popeko A G ,et al. 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