絲綢之路上的神秘大科學裝置里的精密工作

來自專欄 中科院特色實驗室

作者：中國科學院近代物理研究所 黃旭禕、高靜一

編者按：

蘭州重離子加速器國家實驗室位於祖國西北，大名鼎鼎——它有亞洲能量最高、精度最高、國內唯一的中高能重離子加速器，為合成新核素、精確測量原子核質量、培育品質更優的農作物新品系等研究創造了良好的條件。在公眾科學日當天，讓我們一起走進它，探索新核素的合成。

說起西北，你可能會想到寧浩執導的《無人區》中那個西北，大漠夕陽、策馬西風…

說到西北，你可能會想到新疆的瓜果飄香、青海的牛羊遍野、還有甘肅的戈壁大漠。

西北的甘肅，絲綢之路上的河西走廊，一條600英里長的通道，將中國腹地和坐落在塔克拉瑪干沙漠邊緣的綠洲敦煌郡連接在一起，獨特的地形和豐富的地貌造就了這個區域的神秘特性。除了敦煌的壁畫、祁連山的雪水、甘肅還擁有一個唯一坐落在西北的國家實驗室，說到它，也很神秘。

說幾件和這裡有關的大新聞。

2015年底，就在甘肅的酒泉，暗物質粒子探測衛星-悟空騰空而起，成為迄今為止觀測能段範圍最寬、能量解析度最優的空間探測器。

2016年，一項「太過先進，無法展示」的科研成果。

2017年，113、115、117、118號新元素麵向全社會征名（對，就是那個你背過二十幾個也就只記得氫氦鋰鈹的那個元素周期表的元素）~

這個，想必大家可能就沒什麼印象了…

當然，這不怪你，怪只怪我們過分神秘…

今天，讓我們多點真誠、少點套路，就著西北的風和大漠的沙，一路走進與這些科技新聞密切相關的實驗室（團隊），同時也是在國內外有重要影響力的重離子科學研究中心——蘭州重離子加速器國家實驗室（中國科學院近代物理研究所研究團隊）。

• 蘭州重離子加速器的「大」與「小」

蘭州重離子加速器（HIRFL），亦稱蘭州重離子研究裝置，由中國科學院近代物理研究所歷經三代大科學工程建設而成，是目前亞洲能量最高、精度最高，國內唯一的中高能重離子加速器。

放心，我們不上物理課，我們就聊聊科學研究中的「大」與「小」。

所謂「大「，蘭州重離子加速器屬於大科學裝置，由ECR離子源、扇聚焦回旋加速器（SFC）、分離扇回旋加速器（SSC）和冷卻儲存環（CSR）組成的一個長達約800米的加速器系統，光磁鐵（系統）就重達約6000噸，就像一條巨龍盤踞在半地下的隧道中，這條「巨龍」不簡單，它具備加速全離子的能力，可提供多種類、寬能量範圍、高品質的穩定核束和放射性束，用以開展重離子物理及其交叉學科研究。

所謂「小」， 蘭州重離子加速器（HIRFL）這麼一個重達數千噸的龐然大物，它的主要研究對象卻是重離子（比質子重的帶電粒子），也就是質量數大於4的原子核。重離子有多小呢？一般直徑在 m~ m之間。

在這一大一小之間，暗含了科學征途上的「險」和「難」，更是體現了科學研究中的「精」與「尖」。

• 蘭州重離子加速器能幹什麼

先玩兒一個快問快答。

1. 問：加速器加速什麼？

答：加速束流。

2. 問：束流是什麼？

答：束流是強大的工具，是金剛鑽。

3. 問：這金鋼鑽能做什麼？

答：可以合成新核素、精確測量原子核質量、培育品質更優的農作物新品系（種）、開展重離子腫瘤治療技術研究，既能做基礎研究，也能做應用研究的金剛鑽。

4. 問：你們國家實驗室都幹了些啥？

答：面向國家戰略需求，我們承擔（或參與）並圓滿完成了以ADS先導專項，空間科學先導專項-暗物質衛星為代表的一批重大科技任務；

面向國際科技前沿，產出了以新核素合成、原子質量精確測量為代表的一批重要基礎研究成果；

面向國民經濟需求，打造了以重離子治癌、重離子育種、核孔膜為代表的一批應用研究成果。

5. 問：挑一個講講

答：好嘞~ 既然前面說了「大與小」，那我們再說一個「冷與熱」。

說它「冷」，是因為一說起這項工作，朋友們基本都是一臉懵逼，社會關注度不高也是實情，但是，不代表它不重要，不代表它不重要，不代表它不重要；

說它「熱」，是因為從事這項研究工作的科研人員，無論國內國外，相互交流的狀態都是永遠年輕，永遠熱淚盈眶，錯了錯了，是永遠熱血沸騰，永遠兩眼放光。

這項神奇的工作就在奇妙的原子核世界中——新核素合成研究。

想必大家的學生時代都有一絲背元素周期表的陰影，冒著被你們討厭的風險，還是得嘮叨幾個概念。

元素：就是具有相同的核電荷數（即核內質子數）的一類原子的總稱；核素，就是元素的同位素。

先看一張圖：

核素圖

這就是核素圖，一張涵蓋了幾乎所有原子核物理研究對象的二維圖，橫坐標代表了原子核中中子的數目，縱坐標代表了原子核中質子的數目。對於從事原子核物理研究的科學家來說，核素圖就是他們心目中的神聖版圖，只要能在這塊版圖上留下一絲痕迹，（那誰！小編說的痕迹不是在核素圖上畫個表情包哦~~~）就可以進入科學大牛的行列了哦。因此，新核素合成是核物理前沿熱門課題。

物質構成的規律是什麼？

原子核存在極限在哪裡？

物質的質量的來源是什麼？

宇宙中超鐵元素到底是怎麼產生的？

宇宙中的四種基本力（引力、電磁力、強力、弱力）可以統一起來嗎？

……

這些神秘又偉大的科學問題的答案都隱藏在神秘的原子核裡面，通過新核素合成研究，就能探索原子核結構的秘密，也許就能找到解開某個宇宙之謎的小鑰匙。

理論預言宇宙存在約8000種核素，自然界穩定存在的核素只有約288種，科學家在實驗室已合成了約3000種新核素。但是，仍有大量新核素需要科學家繼續合成、探索。原子核物理研究的核心目標，就是通過合成不穩定核素進而研究它們的結構和性質。

那麼，科學家是如何發現或合成核素圖上面的原子核的呢？

盧瑟福在1908年首先發現了第一個穩定同位素，他將一個α放射源放置在電磁場中，測量α粒子的電荷量是2e，根據已知電荷與質量之比，最終算出α粒子的原子質量是3.84，這就意味著α粒子就是氦原子核。之後，隨著實驗技術的不斷改進，研究人員利用原子核質譜法，（即通過測量穩定原子核的質量來發現新的穩定核素）幾乎發現了所有的穩定同位素。

但是，隨著原子核序數的不斷增加，重離子加速器就成為核物理學家們合成新核素的重要工具（就是前面說的金剛鑽），利用重離子加速器提供的各種不同種類、不同能量的離子束，結合先進的分離和探測設備，在核素圖上，使已知核素版圖得到了極大的擴展，也使人們對神秘的原子核世界有了全新的認識。

• 新核素合成

依據新核素合成不同的反應機制，合成新核素主要通過輕帶電粒子引起的反應、熔合蒸發反應、炮彈碎裂反應、大質量轉移反應、加速器產生的中子反應等幾種方法來實現。

說點費腦子的話，還記得前面提到的束流就是金剛鑽嗎，因為，加速器中的束流就像炮彈，強大到一秒鐘可以打出100萬個不穩定的原子核，科研人員用束流轟擊靶，使其與靶中的原子核碰撞，發生核反應，從而產生新的原子核。

接下來，科研人員需要從1000億個原子核中找出一個有用的，相當於在銀河系中找到一個星體，在騰格里沙漠找到一根針。

基於蘭州重離子加速器國家實驗室平台，中國科學院近代物理研究所團隊創新性地將"質子-伽馬"符合方法用於鑒別新核素，比國際通用方法靈敏度提高了約50倍，合成了11種稀土新核素，觀測了22種原子核的β緩發質子衰變，建立了15種原子核的EC/β+衰變綱圖，測量了一批原子核的壽命，發現了極豐質子稀土原子核普遍具有大形變。研製了高效率充

氣反衝核分離器，研發了單原子核鑒別測量技術，在超重核區和重豐中子核區，合成了20種新核素，觀測到原子核β緩發裂變奇異衰變現象。

相比合成新核素，合成新元素更加具有挑戰。客觀物質世界中到底能夠存在多少種元素？元素周期表有沒有界限？未知的化學元素可能會存在哪些奇特的性質？（腦洞時間）

目前，人工合成的新元素已經達到第118號，填滿了周期表中第七周期的所有元素。

2016年，國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）將人工合成的最後幾種新元素命名為Nihonium（113號）、Moscovium（115號）、Tennessine（117號）和Oganesson（118號）。隨著原子序數的不斷增加，彈核和靶核之間發生熔合的概率會呈指數式的衰減，人工合成超重新元素的實驗也變得異常困難，即便如此，國際上各大實驗室對更重新元素的合成研究越來越重視，競爭也越來越激烈。新元素合成是一項人類挑戰物質世界存在極限的研究，越接近極限越困難，但新的發現也將更具有科學意義。

接下來，中科院近代物理所團隊將依託國家「十二五」重大科技基礎設施——「強流重離子加速器裝置-HIAF」（由中科院近代物理所承擔建設中）這又一國之重器提供的國際上最強的低能重離子束流，挑戰合成更重的新核素甚至新元素，解決新的原子核殼效應的演化、新幻數的出現以及核天體環境中重元素的產生等尚未解決的重要科學問題。

特別感謝感謝楊建成，姚慶高、張志遠等幾位老師提供相關數據！

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