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走进实验室:丝绸之路上的神秘黑科技

时间:2018-05-19  来源:新浪科技综合  作者:新浪科技综合

来源:科学大院微信公众号

说起西北,你可能会想到宁浩执导的《无人区》中那个西北,大漠夕阳、策马西风…

说到西北,你可能会想到新疆的瓜果飘香、青海的牛羊遍野、还有甘肃的戈壁大漠。

西北的甘肃,丝绸之路上的河西走廊,一条600英里长的通道,将中国腹地和坐落在塔克拉玛干沙漠边缘的绿洲敦煌郡连接在一起,独特的地形和丰富的地貌造就了这个区域的神秘特性。除了敦煌的壁画、祁连山的雪水,甘肃还拥有一个唯一坐落在西北的国家实验室,说到它,也很神秘。

那一年,就在甘肃的酒泉,暗物质粒子探测卫星-悟空腾空而起,成为迄今为止观测能段范围最宽、能量分辨率最优的空间探测器。

那一年,一项“太过先进,无法展示”的科研成果刷爆微博和朋友圈,博友圈友纷纷表示中国的这项黑科技不明觉厉。

那一年,113、115、117、118号新元素面向全社会征名(对,就是那个你背过二十几个也就只记得氢氦锂铍的那个元素周期表的元素),这个,想必大家应该就没什么印象了…当然,这不怪你,怪只怪我们过份神秘…

那么今天,就让我们多点真诚、少点套路,就着西北的风和大漠的沙,一路走进与这些科技新闻密切相关的实验室(团队),同时也是在国内外有重要影响力的重离子科学研究中心——兰州重离子加速器国家实验室(中国科学院近代物理研究所研究团队)。

兰州重离子加速器国家实验室

兰州重离子加速器国家实验室

兰州重离子加速器的“大”与“小”

兰州重离子加速器(HIRFL),亦称兰州重离子研究装置,由中国科学院近代物理研究所历经三代大科学工程建设而成,是目前亚洲能量最高、精度最高,国内唯一的中高能重离子加速器。

放心,我们不上物理课,我们就聊聊科学研究中的“大”与“小”。

所谓“大“,兰州重离子加速器属于大科学装置,由ECR离子源、扇聚焦回旋加速器(SFC)、分离扇回旋加速器(SSC)和冷却储存环(CSR)组成的一个长达约800米的加速器系统,光磁铁(系统)就重约6000吨,就像一条巨龙盘踞在半地下的隧道中,这条“巨龙”不简单,它具备加速全离子的能力,可提供多种类、宽能量范围、高品质的稳定核束和放射性束,用以开展重离子物理及其交叉学科研究。

兰州重离子加速器冷却储存环-CSR

兰州重离子加速器冷却储存环-CSR

所谓“小”, 兰州重离子加速器(HIRFL)这么一个重达数千吨的庞然大物,它的主要研究对象却是重离子(比质子重的带电粒子),也就是质量数大于4的原子核。重离子有多小呢?一般直径在10^-15m~10^-14m之间。

在这一大一小之间,暗含了科学征途上的“险”和“难”,更是体现了科学研究中的“精”与“尖”。

兰州重离子加速器能干什么

先玩儿一个快问快答。

1。问:加速器加速什么?

答:加速束流。

2。问:束流是什么?

答:束流是强大的工具,是金刚钻。

3。问:干嘛的金钢钻?

答:可以合成新核素、精确测量原子核质量、培育品质更优的农作物新品系(种)、开展重离子肿瘤治疗技术研究,既能做基础研究,也能做应用研究的金刚钻。

4。问:你们国家实验室都干了些啥?

答:面向国家战略需求,我们承担(或参与)并圆满完成了以 ADS 先导专项,空间科学先导专项-暗物质卫星为代表的一批重大科技任务; 面向国际科技前沿,产出了以新核素合成、原子质量精确测量为代表的一批重要基础研究成果; 面向国民经济需求,打造了以重离子治癌、重离子育种、核孔膜为代表的一批应用研究成果。

5。问:挑一个讲讲?

答:好嘞~ 既然前面说了“大与小”,那我们再说一个“冷与热”。

说它“冷”,是因为一说起这项工作,朋友们基本都是一脸懵圈,社会关注度不高也是实情,但是,不代表它不重要,不代表它不重要,不代表它不重要;

说它“热”,是因为从事这项研究工作的科研人员,无论国内国外,相互交流的状态都是永远年轻,永远热泪盈眶,错了错了,是永远热血沸腾,永远两眼放光。这项神奇的工作就在奇妙的原子核世界中——合成新核素。

想必大家的学生时代都有一丝背元素周期表的阴影,冒着被你们讨厌的风险, 还是得唠叨几个概念。元素,就是具有相同的核电荷数(即核内质子数)的一类原子的总称;核素,就是元素的同位素。

先看一张图:

核素图

核素图

这就是核素图,一张涵盖了几乎所有原子核物理研究对象的二维图,横坐标代表了原子核中中子的数目,纵坐标代表了原子核中质子的数目。对于从事原子核物理研究的科学家来说,核素图就是他们心目中的神圣版图,只要能在这块版图上留下一丝痕迹,就可以进入科学大牛的行列了哦。因此,新核素合成是核物理前沿热门课题。

物质构成的规律是什么?

原子核存在极限在哪里?

物质的质量的来源是什么?

宇宙中超铁元素(比铁元素重的元素)到底是怎么产生的?

宇宙中的四种基本力(引力、电磁力、强力、弱力)可以统一起来吗?

……

这些神秘又伟大的科学问题的答案都隐藏在神秘的原子核里面,通过新核素合成研究,就能探索原子核结构的秘密,也许就能找到解开某个宇宙之谜的小钥匙。理论预言宇宙存在约8000种核素,自然界稳定存在的核素只有约288种,科学家在实验室已合成了约3000种新核素。但是,仍有大量新核素需要科学家继续合成、探索。原子核物理研究的核心目标,就是通过合成不稳定核素进而研究它们的结构和性质。

那么,科学家是如何发现或合成核素图上面的原子核的呢?

卢瑟福在1908年首先发现了第一个稳定同位素,他将一个α放射源放置在电磁场中,测量α粒子的电荷量是2e,根据已知电荷与质量之比,最终算出α粒子的原子质量是3.84,这就意味着α粒子就是氦原子核。之后,随着实验技术的不断改进,研究人员利用原子核质谱法,(即通过测量稳定原子核的质量来发现新的稳定核素)几乎发现了所有的稳定同位素。

但是,随着原子核序数的不断增加,重离子加速器就成为核物理学家们合成新核素的重要工具(就是前面说的金刚钻),利用重离子加速器提供的各种不同种类、不同能量的离子束,结合先进的分离和探测设备,在核素图上,使已知核素版图得到了极大的扩展,也使人们对神秘的原子核世界有了全新的认识。

新核素合成

依据新核素合成不同的反应机制,合成新核素主要通过轻带电粒子引起的反应、熔合蒸发反应、炮弹碎裂反应、大质量转移反应、加速器产生的中子反应等几种方法来实现。(知道你听不懂,小编其实也不懂。。。)

说点费脑子的话,还记得前面提到的束流就是金刚钻吗,因为加速器中的束流就像炮弹,强大到一秒钟可以打出100万个不稳定的原子核,科研人员用束流轰击靶,使其与靶中的原子核碰撞,发生核反应,从而产生新的原子核。接下来,科研人员需要从1000亿个原子核中找出一个有用的,相当于在银河系中找到一个星体,在腾格里沙漠找到一根针。

基于兰州重离子加速器国家实验室平台,中国科学院近代物理研究所团队创新性地将“质子-伽马”符合方法用于鉴别新核素,比国际通用方法灵敏度提高了约50倍,合成了11种稀土新核素,观测了22种原子核的β缓发质子衰变,建立了15种原子核的EC/β+衰变纲图,测量了一批原子核的寿命,发现了极丰质子稀土原子核普遍具有大形变。研制了高效率充气反冲核分离器,研发了单原子核鉴别测量技术,在超重核区和重丰中子核区, 合成了20种新核素,观测到原子核β缓发裂变奇异衰变现象。

中科院近代物理所充气反冲谱仪装置

中科院近代物理所充气反冲谱仪装置

相比合成新核素,合成新元素更加具有挑战。客观物质世界中到底能够存在多少种元素?元素周期表有没有界限?未知的化学元素可能会存在哪些奇特的性质?(脑洞时间)

目前,人工合成的新元素已经达到第118号,填满了周期表中第七周期的所有元素。2016年,国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)将人工合成的最后几种新元素命名为Nihonium(113号)、Moscovium(115号)、Tennessine(117号)和Oganesson(118号)。随着原子序数的不断增加,弹核和靶核之间发生熔合的概率会呈指数式的衰减,人工合成超重新元素的实验也变得异常困难,即便如此,国际上各大实验室对更重新元素的合成研究越来越重视,竞争也越来越激烈。新元素合成是一项人类挑战物质世界存在极限的研究,越接近极限越困难,但新的发现也将更具有科学意义。

接下来,中科院近代物理所团队将依托国家“十二五”重大科技基础设施——“强流重离子加速器装置-HIAF”(由中科院近代物理所承担建设中)这又一国之重器提供的国际上最强的低能重离子束流,挑战合成更重的新核素甚至新元素,解决新的原子核壳效应的演化、新幻数的出现以及核天体环境中重元素的产生等尚未解决的重要科学问题。

“强流重离子加速器装置 -HIAF ” 效果图

“强流重离子加速器装置 -HIAF ” 效果图

作者单位:兰州重离子加速器国家实验室

感谢杨建成,姚庆高、张志远等几位老师提供相关数据

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