超重元素的合成及其結構研究是當前原子核物理研究的一個重要前沿領域。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。相關成果發表于核物理學領域期刊《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、化學等學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
鐒的化學符號為Lr，原子序數為103，是第11個超鈾元素，也是最后一個錒系元素。“一般來說，原子序數大于鐒的元素被稱為超重元素。”黃天衡介紹。
質子數相同而中子數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。為紀念著名物理學家歐內斯特·勞倫斯，103號元素被命名為鐒。錒系元素是元素周期表ⅢB族中原子序數為89—103的15種化學元素的統稱，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，質量數分別為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直接合成的，鐒-264和鐒-266則是將原子序數更高的核素通過衰變生成的。
目前，鐒的化學研究中最常使用的同位素是鐒-256和鐒-260。科研人員通過化學實驗證實鐒為镥的較重同系物，具有+3氧化態，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。由于鐒的電子組態與镥并不相同，鐒在元素周期表中的位置可能比預期的更具有波動性。在核結構研究方面，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，其結構能級的指認目前也還存有爭議。
通過熔合反應，形成新的原子核
鐒和其他原子序數大于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合成。由于原子核都具有正電荷而會相互排斥，因此，只有當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生熔合。兩個原子核更可能會在極短的時間內發生裂變，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生裂變，而是熔合形成了一個新的原子核，此時新產生的原子核就會處于非常不穩定的激發態。為了達到更穩定的狀態，新產生的原子核可能會直接裂變，或放出一些帶有激發能量的粒子，從而產生穩定的原子核。
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，通過熔合反應合成了目標核鐒-251。這個新的原子核產生后，會和其他反應產物一起被傳輸到充氣譜儀(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、能量和時間進行標記。
“如果這個原子核接下來又發生了一系列衰變，這些衰變的位置、能量和時間將再次被記錄下來，直至產生了一個已知的原子核。該原子核可以由其所發生的衰變的特定特征來識別。”黃天衡說。根據這個已知的原子核以及之前所經歷的系列連續衰變的過程，科研人員可以鑒別注入探測器的原始產物是什么。
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N為148的最重同中子異位素(具有相同中子數的核素)，還是利用充氣譜儀(AGFA)合成的首個新核素。目前的實驗結果表明，鐒-251具有α衰變性，可以發射出兩個不同能量的α粒子。
拓展新的領域，推動超重核理論研究
由于形變，若干決定超重核穩定島位置的關鍵軌道能級會降低到質子數Z約等于100、中子數N約等于152核區的費米面附近。對于這一核區的譜學研究可以對現有描述穩定島的各個理論模型進行嚴格檢驗, 從而進一步了解超重核穩定島的相關性質。由于上述原因，對于這一核區的譜學研究是當下探索超重核結構性質的熱點課題。
此前的理論模型均無法準確地描述這一核區鐒的質子能級演化，相關的實驗數據十分有限。“本次實驗的初衷為把鐒的結構研究進一步拓展到豐質子區，嘗試開展系統性的研究。”黃天衡表示。
研究結果表明，形成超重核穩定島的關鍵質子能級在鐒的豐質子同位素中存在能級反轉現象。此外，研究人員還通過推轉殼模型下粒子數守恒方法(PNC-CSM)較好地描述了這一現象，并指出了ε_6形變在這一核區的質子能級演化中起到的重要作用。
“此次研究指出了ε_6形變在鐒的豐質子核區的質子能級演化中起到的重要的作用，對現有的理論研究提出了新的挑戰，將推動超重核領域相關理論研究的發展。”黃天衡說。
