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重離子冷卻儲存環(huán) 資料圖片

　　中科院近代物理研究所張玉虎研究員團隊利用蘭州重離子冷卻儲存環(huán)CSRe，首次測出短壽命核素鈷—51質量，該成果近日發(fā)表于《物理快報B》。

　　張玉虎介紹，打開一張核素圖，自然界存在288種核素，理論預言人類可以制造出大約8000種核素。經過近百年的努力，科學家僅在實驗室制造出約2800種核素，總共測量了2200多核素的質量，因此制造出新的原子核并精確測量它們的質量是各國科學家的不懈追求和夢想。

　　為什么科學家如此熱衷于測量原子或原子核的質量呢？因為原子核有一個奇特的性質，就是它的總質量小于組成它的核子的質量之和，用一個比喻就是1+1<2。丟失的那一部分質量會變成能量，我們常說的核電或核武器利用的就是那一部分核能。從科學的角度來講，丟失的那一部分質量與控制原子核的“核力”密切相關，而對“核力”的理解可以說是核物理研究中的核心科學問題。精確“秤量”出了某個原子核的質量，你就相應地知道了這種神秘“核力”的一些定量的信息。

　　然而，不穩(wěn)定原子核的質量很難稱量，因為它們的重量很輕，壽命也相當短。以鈷—51為例，2萬億億個鈷—51比一粒小米還輕，壽命只有100毫秒，“眨一下眼睛的功夫這個原子核已經死亡10次了?！睆堄窕⒄f。

　　要在極短的時間內稱量出如此輕的原子核質量在技術上是一個挑戰(zhàn)，首先要有一個高靈敏度的“秤”。目前，世界上最靈敏的“秤”是離子阱，但是對于壽命很短的原子核卻無能為力。從2009年開始，近物所的科技人員利用蘭州重離子冷卻儲存環(huán)CSRe，制造出了可以測量短壽命原子核質量的“秤”——等時性質量譜儀，其精確度可以達到10－7。

　　研究人員將鎳—58原子核放入加速器，加速到光速的三分之二，打靶（將它敲碎）產生目標核——鈷—51并將其引入實驗環(huán)，測量其循環(huán)周期，獲取海量數據，再經過一年的數據處理和分析，得到了稀有核素的質量。除此之外，研究小組還在極缺（豐）中子區(qū)——中子數比穩(wěn)定原子核中子數少的原子核區(qū)域，首次精確測量了16個原子核的質量，提高了20多個原子核的質量精度，取得了一批重要的物理成果。

　　張玉虎表示，短壽命放射性原子核的質量在核結構及核天體物理研究中都具有非常重要的作用。從微觀看，在已知原子核質量的前提下，可以研究原子核的結構，提取核內有效相互作用的信息。從宏觀看，研究天體環(huán)境中化學元素如何產生，所需要的最重要知識是不穩(wěn)定原子核的質量。因此，原子核的質量數據對核天體物理具有重要的應用價值。

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　　重離子冷卻儲存環(huán)

　　蘭州重離子加速器冷卻儲存環(huán)（HIRFL-CSR）由主環(huán)CSRm、實驗環(huán)CSRe、放射性束分離器（RIBLL2）、實驗探測裝置等組成，其超高真空束流管道總長約500m、總重1430t的各類高精度電磁鐵220多臺、大功率特殊電源近300臺，是一個集累積、冷卻、加速、儲存、內靶實驗及高分辨質量測量于一體的大型多功能實驗裝置。

　　HIRFL-CSR的建成，拓寬了重離子加速器的研究領域，形成了一個以重離子物理為核心的學科群，既可對微觀世界的強子、原子核、原子、分子、團簇，宏觀世界的等離子體、固體、生物體、天體進行深入認知的基礎研究，又可開展能源、材料、航天、生物、醫(yī)學等領域的應用基礎研究和應用研究。

　　（原載于《光明日報》 2014-11-27 12版）