【科學講座】周善貴:超重原子核與新元素

2020-12-07 中國科學院大學新聞網

  2018年9月13日晚7點,中國科學院大學科學前沿進展名家系列講座III第155講在玉泉路校區階一5教室如期舉行。本次講座的主講人是中國科學院理論物理研究所周善貴研究員,周老師為同學們帶來了題為「超重原子核與新元素」的講座,他主要從理論預言、實驗進展、合成所面臨的挑戰、合成機制展望等方面探討超重原子核。

  講座伊始,一條「銜尾蛇環」成為今天的主題——探索宇宙、究其基本,還得「探究原子核」。原子核是由質子與中子構成的,質子決定了元素的種類,而中子則與質子一起決定了元素的同位素(核素)的種類。我們在核素圖上可以發現,那些穩定或壽命較長的核素在所有已發現的核素中佔比很小而顯「特殊」,但也在自然界中較為常見而顯「平凡」。但是隨著核子數的增多,這樣的核素會越來越少,至鈾以後,穩定的原子核幾乎不存在。

  那麼,我們進行核物理研究有什麼意義呢?原子核是物質結構的一個重要層次,其涉及了四種相互作用力,且具有複雜的多體系統,對於研究元素的起源、星體的演化具有重大意義。研究原子核還對維護國家安全、促進基礎物理研究有重要作用。 

  根據質能方程,原子核的比結合能(結合能與核子數的比值)決定了原子核釋放能量的潛力。對各核素比結合能的研究自然讓人想到兩種釋放原子核能量的方式:聚變和裂變。聚變是太陽能量的來源,但目前還不能被人類「可控」利用。而裂變的條件並沒有聚變那麼苛刻,在現代社會廣泛應用。

  在低能核物理研究領域,隨著中子數或質子數的增加,還有一些性質獨特的核結構,如奇特原子核、集團結構、奇異原子核、轉動原子核、超重原子核、緻密星體如中子星等。奇特原子核就是相對於穩定原子核來說性質奇特的原子核,就拿僅有11個核子、卻具有巨大體積的奇特原子核鋰-11來說,其許多性質與常見核素相悖。對奇特原子核的研究還將人們帶入了元素核合成的世界。弗雷德·霍伊爾曾根據「人擇原理」直接指出碳-12應該有一個自旋為0的正宇稱態,而不久之後的實驗證實了他的想法。「這或許是人類歷史上直接由人擇原理猜出來的最為重大也是唯一的結論了!」周老師幽默道。 

  那麼為什麼核子數目到達一定程度,穩定的原子核就幾乎不存在了呢?從原子核的層次看,原子核的大小是由短程核力的吸引作用與長程庫侖力的排斥作用的相互競爭而決定的,而我們還需考慮與原子中電子的分層分布類似的量子殼效應。Mayer和Jensen的研究發現,除電子外,中子、質子等也都具有單粒子能級與殼層結構,相應的也具有幻數,而他們獲得了1963年的諾貝爾物理學獎。幻數與殼層結構的提出為超重原子核及穩定超重島的理論預言提供了基礎。對於超重原子核的研究,我們不禁提出疑問:元素周期表,何時才是盡頭?

  針對這個疑問,人們踏上了無盡的超重原子核探索之路。如果超重原子核半衰期為幾億年或更長,且其已在元素核合成中生成,那麼它應該能在自然界中找到。為此,人們在自然界中尋找超重原子核,但均以失敗而告終。最終,人們的眼光投向了實驗室,試圖人工合成新元素,元素周期表第七行(至118號元素)也漸漸被填滿。但由於現有方法還存在著許多很難克服的問題,新元素的發現越顯困難。而這些問題還將留待新時代的人們運用更新的理論與實驗去揭開。

  講座即將結束,同學們積極提問,而周老師也認真回答了同學們的疑問。講座結束,同學們爆發出熱烈的掌聲。

周善貴老師為同學們做講座

  報告人簡介:

  中國科學院理論物理研究所研究員。1992年和1995年在吉林大學分別獲理學學士和碩士學位,1998年在北京大學獲理學博士學位。1998年起在北京大學工作;2004年起在中國科學院理論物理研究所工作。1998年起,兼任蘭州重離子加速器國家實驗室原子核理論中心客座。2002和2003年,在德國海德堡馬克斯-普朗克核物理研究所工作。2015年起,兼任中國科學院大學崗位教授、量子效應及其應用協同創新中心(湖南師範大學)首席專家和中國科學院理論物理研究所與廣西師範大學共建桂林理論物理協作中心主任。主要從事原子核物理和量子多體理論研究,目前的研究方向為:(1)超重原子核性質及合成機制;(2)奇特原子核性質;(3)奇異原子核性質;(4)量子多體理論和相關計算方法。曾獲國家傑出青年科學基金資助,入選國家「萬人計劃」科技創新領軍人才。

  報告摘要:

  簡要介紹原子核這類有限量子多體系統展現出的豐富物理內容以及當前原子核物理研究的前沿領域。著重介紹超重原子核與新元素研究的背景、進展以及面臨的挑戰,並展望未來的發展。自然界中存在的最重的元素為鈾元素(92號, 核電荷數即質子數為92)。超重元素通常指104號及之後的元素,對應的原子核稱為超重原子核。超重原子核的存在源於量子效應。研究超重原子核與新元素是對原子核的電荷和質量存在極限的探索,涉及化學、原子物理、原子核物理等學科或領域。上個世紀60年代,理論預言存在一個超重原子核穩定島,這個理論預言將元素的存在.上限擴展到114號以上。目前,雖然科學家在實驗室裡已經合成到了118號超重元素,但仍未到達穩定島中心。不論是向超重原子核穩定島中心進發,還是合成更重的新元素,都面臨著很多挑戰,需要理論與實驗密切結合,探索超重原子核性質與合成機制,以登上超重島。

  延伸閱讀:

  「科學前沿進展名家系列講座」創辦於2014年9月,是中國科學院大學為本科生開設的必修課程,同時歡迎研究生與教職工參加,由中國科學院大學本科部主辦,講座召集人為徐濤院士。該課程按照數學、物理、化學等13個專業,邀請相關科學領域的院士等知名專家開展專題講座。通過講述科學故事、介紹相關學科方向的科學前沿進展,讓學生在本科階段了解不同學科的科研方向與主要進展,拓寬學生的學術視野,為他們最終選擇學科專業與專業方向提供豐富的判斷依據。

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