近库仑势垒重离子核反应机制研究

1896年，法国物理学家贝克勒尔发现天然放射性现象，这是人类第一次观察到原子核的变化，被看成是核物理学的开端。这一伟大发现使得人们对自然界的认识进入到费米（10^-15 m）尺度，极大地影响和改变了人类社会。1928年，乔治·伽莫夫用量子隧穿效应解释了原子核的阿尔法(α)放射性。量子隧穿是典型的量子现象，由微观粒子的波动性所决定。其逆过程，即两个粒子形成一个复合核时也遵从同样的规律，这已经被早期较轻原子核的熔合反应研究所证实。上世纪60年代以后，随着粒子加速器能量的升高，人们可以研究较重核之间的核反应，形成了近库仑势垒重离子核反应的研究方向。上世纪80年代以来，在此方向产生了许多新发现，如：深部非弹性散射机制、垒下熔合反应截面增强、光学势阈异常、准（预平衡）裂变与全熔合–裂变的竞争、势垒分布与耦合道效应、弱束缚核的破裂效应与连续态的强耦合和奇特核特殊的核反应机制等。对近垒能区重离子核反应机制的研究，有助于人们对自然界中核过程的认识，如：恒星能源的产生、宇宙元素的合成与超重核合成等，同时，与国家核安全战略以及核技术应用和核能开发等国民经济活动密切相关。

“近库仑势垒重离子核反应机制研究”项目瞄准当前重离子核反应机制研究中的热点问题，基于北京HI-13串列加速器，对弹性散射、准弹性散射、熔合和裂变反应等进行了详尽的研究。实验方面，对于稳定弱束缚核反应，通过光学势和势垒分布等研究，探明了核破裂效应对反应进程尤其是熔合反应过程的影响，揭示了背角准弹势垒分布是研究核破裂效应的灵敏探针。利用深垒下能区背角准弹散射激发函数系统研究了核势，为核势表面弥散参数值正常提供了有力的实验证据。揭示了近垒能区重离子核反应中核的内禀自由度与相对运动自由度之间深层次的耦合道机制，特别是正Q_tr值中子转移道的耦合道效应。提出并验证了利用转移反应出射道提取晕核体系光学势的方法。深入调查了中等质量核体系的熔合–裂变反应机制。理论方面，发现了熔合蒸发残余核截面指数依赖于鞍点处有效裂变势垒高度和有效中子分离能的差，改进了熔合–扩散模型，预言了合成117-120号超重元素的最佳弹–靶组合，为成功合成117和118号元素提供了现实的指导。这些都为重离子核反应机制研究和超重核合成提供了重要的实验数据和理论指导。

“近库仑势垒重离子核反应机制研究”系国家自然基金项目，由中国原子能科学研究院承担完成，主要完成人有林承键、贾会明、刘祖华、张焕乔、杨峰、吴振东、徐新星、杨磊。

一、总体思路

强耦合道效应是近库仑势垒能区重离子核反应的一个显著特点，这决定了要从全反应道的角度研究核反应机制。实验上，测量弹性散射、准弹性散射、熔合和裂变等反应道，较全面地调查各反应道之间深层次的联系，特别是破裂反应和正Q_tr值中子转移等反应道对熔合反应过程的影响以及熔合–裂变反应等相关核反应机制。全反应道的调查是实验研究中的一个新思想。理论上，发展和改进熔合–扩散模型，重点探索从热熔合反应途径合成Z³118号超重元素的可能性、最佳反应体系和反应能量的选择。考虑颈部自由度与径向运动自由度的耦合，这是理论研究中的一个创新。

二、主要发现点

项目开展了实验和理论两方面的研究，主要发现点为以下五方面。

1．研究了稳定弱束缚核体系的破裂效应，首次指出势垒分布是调查原子核破裂及连续态强耦合效应的灵敏探针。

实验测量了近垒能区^6,7Li,⁹Be+²⁰⁸Pb等体系的背角准弹散射激发函数，首次从背角准弹方向测量了弱束缚核体系的势垒分布，研究了弱束缚核破裂反应对熔合反应的影响。通过对包含和不包含破裂成份的背角准弹势垒分布与全熔合势垒分布的比较，发现了势垒分布峰位的移动。通过系统学研究，将传统使用的适用于紧束缚核体系的流守恒表达式T+R=1扩展为T+R+B=1（其中T表示穿透几率，R表示反射几率，B表示破裂几率），揭示了破裂反应对熔合反应的影响。首次指出势垒分布是调查原子核破裂及连续态强耦合效应的灵敏探针，其后被多家国外实验所验证。

2．研究了正Q_tr值中子转移道对熔合反应的耦合道效应，指出了相关效应的复杂性。

用静电偏转板装置高精度测量了近垒能区³²S+^90,96Zr，¹⁸O+⁷⁴Ge和¹⁶O+⁷⁶Ge等体系的熔合激发函数。同时测量了³²S+^90,96Zr体系的背角准弹散射激发函数，并抽取了势垒分布。研究了正Q_tr值中子转移道和靶核3^-振动态的耦合对熔合反应的影响。为正Q_tr值中子转移道可能导致垒下熔合截面增强增加了新的典型实验证据，同时指出正Q_tr值中子转移耦合道效应的极端复杂性，现有理论无法解释，需要改进。

3．测量了³²S+¹⁸⁴W体系近垒能区的裂变碎片角分布，发现在此体系中存在相当比例的准裂变成份。

鉴于立项时国际国内对近垒能区重离子熔合–裂变反应机制的关注，测量了³²S+¹⁸⁴W体系近垒能区的裂变碎片角分布，结合双核模型分析，指出在此体系中存在相当比例的准裂变成份，为在中等质量核反应体系中存在准裂变反应机制提供了新的实验证据，深化了对裂变反应动力学的认识。

4．从背角准弹性散射的角度进一步排除了核势表面弥散参数值的异常。

鉴于从熔合激发函数抽取的核势表面弥散参数值异常大的问题，高精度、系统性地测量了¹⁶O+^152,154Sm、¹⁸⁴W、¹⁹⁶Pt、²⁰⁸Pb等体系的背角准弹散射激发函数，抽取了模型近似无关的核势表面弥散参数值，为排除该参数值异常大提供了有力的证据。基于实验上测量的背角准弹散射粒子能谱，揭示了可能存在新物理因素的贡献，为理论研究提出新要求。

 5．理论上研究了超重核合成机制，发现了复合核蒸发残余核截面的指数规律。首次考虑了颈部自由度与径向运动自由度的耦合，改进了熔合–扩散模型。

通过深入研究，发现复合核蒸发残余核截面指数依赖于裂变鞍点处裂变势垒高度与中子发射阈值的差。指出根据这一指数规律，可确定实验上合成超重核的最佳弹–靶组合，并预言了合成117号超重元素的反应体系和分道截面。Oganessian等人在合成117号元素的文章中引用了该理论预言。基于宏观的熔合–扩散模型，在国际上首次考虑了颈部和径向运动的耦合动力学方程，模拟了复合体系从双核到单核的动力学演化过程，解释了¹³⁶Xe+¹³⁶Xe的实验结果，并预言了利用⁵⁰Ti+^ACf合成120号超重元素的分道截面，为实验上合成相关超重元素提供了重要的理论参考。

　　三、科学价值

项目在近垒能区弱束缚核破裂反应对熔合反应影响的研究中，首次从全反应道的角度考察了核破裂效应的影响，指出了势垒分布是调查核破裂效应的灵敏探针，为破裂效应的研究提供了一个好的手段。在近垒能区重离子核反应中正Q_tr值中子转移道的耦合道效应研究中，选择有典型对比性的体系，分别调查了带有正Q_tr值的多中子转移和双中子转移道的耦合效应，指出了该效应的复杂性，需要进一步实验调查和理论完善。在近垒能区重离子熔合–裂变反应机制研究中，测量了裂变碎片的角分布和质量分布，指出在中等质量核反应体系存在预平衡裂变的可能性。确证这种机制需要进一步做裂变碎片的质量–能量–角度的关联测量，为今后工作指明了道路。

高精度测量了多个体系的背角准弹激发函数，为排除核势表面弥散参数值异常大提供了有力的证据。同时，背角出射类弹粒子能谱反映了核反应机制的复杂性，揭示了可能存在新物理因素的贡献；在奇特核反应体系光学势的研究中，提出从转移反应出射道抽取奇特核体系光学势的方法，成功得到⁶He和¹⁷F反应体系的光学势，为调查奇特核体系光学势提供了新的思路；澄清了长期存在于⁹Be+²⁰⁸Pb、²⁰⁹Bi这两个体系中的近垒光学势阈异常行为不一致的问题，进一步支持了弱束缚核体系光学势的破裂阈异常行为。在超重核合成理论研究中，发展了熔合–扩散模型，预言了合成117至120号超重元素的最佳弹–靶组合和分道反应截面，其中117号和118号已成功合成，与项目团队的预言相符合，为合成超重元素提供了理论依据和现实的指导。

　　项目对近垒能区重离子相关核反应机制进行了深入研究，对相关核反应机制有了更进一步的认识，为理论发展积累了素材，产生了良好的学术影响和广泛的社会影响。据不完全统计，研究期间项目团队在近垒能区核反应机制研究方面共发表SCI学术论文42篇，其中Phys. Rev. C文章23篇，他引用次数约176次。10篇代表性论文他引102次，其中单篇最高他引19次。项目团队成员多次应邀在国内外学术会议上作口头报告，包括数次的邀请报告，提升了我国在低能核反应研究领域的国际话语权。项目执行期间共培养博士研究生7名，硕士研究生2名，出站博士后1人，为我国的核物理、核技术和核能源等相关领域输送了优秀的人才。

　　值得一提的是，伴随实验发展起来的探测器、电子学和多参数数据获取技术，尤其是自制的双面硅条探测器、多路电荷灵敏前置放大器等前端电子学技术，促进了硅条探测器在国内核物理实验中大规模的应用。项目团队研制的多重带电粒子硅条探测器阵列，实验参数达到800路左右，满足了现代精细实验的要求。VME多参数数据获取系统的速率达40,000 events/s，对放射性核束实验有重要作用。上述伴生的技术加速了我国核探测技术的发展和基础研究实验能力的提升。