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“衔尾蛇环”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，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、星体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、致密星体如中子星等。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，稳定的原子核就几乎不存在了呢？从原子核的层次看，原子核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，而我们还需考虑与原子中电子的分层分布类似的量子壳效应。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及稳定超重岛的理论预言提供了基础。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为几亿年或更长，且其已在元素核合成中生成，那么它应该能在自然界中找到。为此，人们在自然界中寻找超重原子核，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
报告摘要：
简要介绍原子核这类有限量子多体系统展现出的丰富物理内容以及当前原子核物理研究的前沿领域。着重介绍超重原子核与新元素研究的背景、进展以及面临的挑战，并展望未来的发展。自然界中存在的最重的元素为铀元素(92号， 核电荷数即质子数为92)。超重元素通常指104号及之后的元素，对应的原子核称为超重原子核。超重原子核的存在源于量子效应。研究超重原子核与新元素是对原子核的电荷和质量存在极限的探索，涉及化学、原子物理、原子核物理等学科或领域。上个世纪60年代，理论预言存在一个超重原子核稳定岛，这个理论预言将元素的存在.上限扩展到114号以上。目前，虽然科学家在实验室里已经合成到了118号超重元素，但仍未到达稳定岛中心。不论是向超重原子核稳定岛中心进发，还是合成更重的新元素，都面临着很多挑战，需要理论与实验密切结合，探索超重原子核性质与合成机制，以登上超重岛。
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。
