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近代物理所等合成新核素214U并发现α粒子形成几率显著增强效应

2021-04-16 近代物理研究所
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  中国科学院近代物理研究所的科研人员及合作者日前首次合成新核素214U,并在重核区首次发现强的质子-中子相互作用导致α衰变中α粒子形成几率显著增强的现象。相关研究成果于4月14日以亮点文章“编辑推荐”(Editors’Suggestion)形式发表在Physical Review Letters上,同时被美国物理学会的Physics杂志在线报道。

  寻找和合成极端条件下的原子核是当前核物理研究的重要课题,α衰变是重核区原子核的普遍衰变模式。因此,α衰变谱学不仅是用来鉴别重核和超重核素的有利工具,也是研究原子核结构信息的有效方法。

  质子-中子相互作用作为一种重要的核子-核子相互作用,对理解远离稳定线原子核的核结构性质具有重要作用,是原子核壳结构演化、集体性和形状变化的主要驱动力。近年来,学界在轻核区发现的原子核幻数产生或消失的现象大多和质子-中子相互作用相关。然而,在重核区,尤其是在中子壳N=126附近的轻锕系核区,关于质子-中子相互作用导致原子核结构变化的实验证据还很有限。

  来自近代物理所等单位的科研人员,利用兰州重离子加速器的充气反冲核谱仪SHANS装置,在N=126附近的轻锕系核区首次合成了新核素214U,并精确测量了216,218U的α衰变性质。其中,新核素214U仅观察到两条α衰变链,其核反应的产生截面仅为10pb,是目前SHANS谱仪上合成的新核素中反应截面最低的原子核,也是目前发现的最轻的铀同位素。

  根据新测量的实验数据,科研人员首次在重核区发现了强的质子-中子相互作用导致α衰变中α粒子预形成几率显著增强的现象。科研人员提取了偶偶核α衰变约化宽度的物理量,研究了Po-Pu核区α衰变约化宽度的系统性。研究发现,质子-中子相互作用在N<126偶偶核α衰变中发挥关键作用:相互作用越强,约化衰变宽度越大,因此,α粒子的预形成几率越大。

  此外,研究还发现,216,218U的α衰变宽度明显偏离了系统性趋势,大约是已知Po-Th核素衰变宽度的两倍。在大规模壳模型理论计算的支持下,这种奇特的α衰变宽度增强效应被成功地解释为占据π1f7/2轨道的价质子和占据ν1f5/2轨道的价中子间相互作用突然增强的结果。

  该实验现象的发现预示着在极端缺中子的超铀核区(Z>92, N<126)存在类似的效应,将促进学界深入理解原子核α衰变过程中α粒子预形成物理机制。

  该研究主要由近代物理所核物理中心新核素合成团队负责,联合同济大学、中科院理论物理研究所、中山大学、瑞典皇家理工学院、英国约克大学、北京大学、广西师范大学、南京航空航天大学、山东大学、辽宁师范大学等国内外11家单位共同完成。研究工作得到中科院战略性先导科技专项(B类)、国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、中科院前沿科学重点研究项目、广西自然科学基金项目、中科院青年创新促进会、英国科学技术装置委员会等的支持。

  论文链接Physics报道链接

图1.214,216U中质子-中子相互作用导致α粒子形成几率增强的示意图(张志远/图)   

图2.实验测量的新核素214U的两条α衰变链(图源:PRL)

  图3.Po-Pu偶偶核约化α衰变宽度随中子数(a)和NpNn值(b)变化的系统性,图中实心圆点表示本工作中提取的214,216,218U的α衰变宽度。NpNn分别代表原子核中价质子和价中子的数目,它们的乘积一般用来衡量质子-中子相互作用的强度(图源/PRL)

打印 责任编辑:张芳丹

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