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    • 【科学讲座】周善贵:超重原子核与新元素 【科学讲座】周善贵:超重原子核与新元素
      2018年9月13日晚7点,中国科学院大学科学前沿进展名家系列讲座III第155讲在玉泉路校区阶一5教室如期举行。本次讲座的主讲人是中国科学院理论物理研究所周善贵研究员,周老师为同学们带来了题为“超重原子核与新元素”的讲座,他主要从理论预言、实验进展、合成所面临的挑战、合成机制展望等方面探讨超重原子核。 讲座伊始,一条“响尾蛇环”成为今天的主题——探索宇宙、究其基本,还得“探究原子核”。原子核是由质子与中子构成的,质子决定了元素的种类,而中子则与质子一起决定了元素的同位素(核素)的种类。我们在核素图上可以发现,(人们已发现的)核素的中子数与质子数基本相等。在这些核素中,那些稳定或寿命较长的核素在所有已发现的核素中占比很小而显“特殊”,但也在自然界中较为常见而显“平凡”。但是随着核子数的增多,这样的核素会越来越少,至铀以后,稳定的原子核几乎不存在。 那么,我们进行核物理研究有什么意义呢?原子核是物质结构的一个重要层次,其涉及了四种相互作用力,且具有复杂的多体系统,对于研究元素的起源,物质的演变与星际的演化具有重大意义。研究原子核还对维护国家安全、促进基础物理研究有重要作用。 根据质能方程,原子核的比结合能(结合能与核子数的比值)决定了原子核释放能量的潜力。对各核素比结合能的研究自然让人想到两种释放原子核能量的方式:聚变和裂变。聚变是太阳能量的来源,但目前还不能被人类“可控”利用。而裂变的条件并没有聚变那么苛刻,在现代社会广泛应用。 在低能核物理研究领域,随着中子数或质子数的增加,还有一些性质独特的核结构,如奇特原子核、集团结构、奇异原子核、转动原子核、超重原子核、超重星体等。奇特原子核就是相对于稳定原子核来说性质奇特的原子核,就拿仅有11个核子、却具有巨大体积的奇特原子核锂-11来说,其许多性质与常见核素相悖。对奇特原子核的研究还将人们带入了元素核合成的世界。弗雷德·霍伊尔曾根据“人择原理”直接指出碳12应该有一个自旋为0的正宇称态,而不久之后的实验证实了他的想法。“这或许是人类历史上直接由人择原理猜出来的最为重大也是唯一的结论了!”周老师幽默道。 那么为什么核子数目到达一定程度,稳定的核子就几乎不存在了呢?从原子核的层次看,核子的大小是由短程核力的吸引作用与长程库仑力的排斥作用的相互竞争而决定的,而我们还需考虑原子中电子的分层分布与量子壳效应。Mayer和Jensen的研究发现,除电子外,中子、质子等也都具有单粒子能级与壳层结构,相应的也具有幻数,而他们获得了1963年的诺贝尔物理学奖。幻数与壳层结构的提出为超重原子核以及稳定超重岛的出现做出了理论上的预言。对于超重原子核的研究,我们不禁提出疑问:元素周期表,何时才是尽头? 针对这个疑问,人们踏上了无尽的超重原子核探索之路。如果超重原子核半衰期在10的8次方量级,且已经在宇宙大爆炸中生成,那么它一定能在自然界中找到。为此,人们在众多物质中寻找超重原子核,但均以失败而告终。最终,人们的眼光投向了实验室,试图人工合成新元素,元素周期表第七行(至118号元素)也渐渐被填满。但由于现有方法还存在着许多很难克服的问题,新元素的发现越显困难。而这些问题还将留待新时代的人们运用更新的理论与实验去揭开。 讲座即将结束,同学们积极提问,而周老师也认真回答了同学们的疑问。讲座结束,同学们爆发出热烈的掌声。(文/刘悦  图/赵然  作者系国科大记者团成员) 周善贵老师为同学们做讲座 报告人简介: 周善贵,中国科学院理论物理研究所研究员。1992年和1995年在吉林大学分别获理学学士和硕士学位,1998年在北京大学获理学博士学位。1998年起在北京大学工作;2004年起在中国科学院理论物理研究所工作。1998年起,兼任兰州重离子加速器国家实验室原子核理论中心客座。2002和2003年,在德国海德堡马克斯-普朗克核物理研究所工作。2015年起,兼任中国科学院大学岗位教授、量子效应及其应用协同创新中心(湖南师范大学)首席专家和中国科学院理论物理研究所与广西师范大学共建桂林理论物理协作中心主任。主要从事原子核物理和量子多体理论研究,目前的研究方向为:(1)超重原子核性质及合成机制;(2)奇特原子核性质;(3)奇异原子核性质;(4)量子多体理论和相关计算方法。曾获国家杰出青年科学基金资助,入选国家“万人计划”科技创新领军人才。 延伸阅读: “科学前沿进展名家系列讲座”创办于2014年9月,是中国科学院大学为本科生开设的必修课程,同时欢迎研究生与教职工参加,由中国科学院大学本科部主办,讲座召集人为徐涛院士。该课程按照数学、物理、化学等13个专业,邀请相关科学领域的院士等知名专家开展专题讲座。通过讲述科学故事、介绍相关学科方向的科学前沿进展,让学生在本科阶段了解不同学科的科研方向与主要进展,拓宽学生的学术视野,为他们最终选择学科专业与专业方向提供丰富的判断依据。
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