【百年化學 中國篇】 【百年化學 中國篇 No.156】成功產生並鑑別稀有原子核！我國大國重器取得新成果

2026年的夏天，廣東惠州的一臺大機器 給中國科學院近代物理研究所的科學家們 交出了一份成績單：10個離子 不是10億個，不是10萬個，是個位數的10個 如果你不瞭解背景，大概率會覺得這成績單寒酸的離譜 別人搞科研，數據都是按硬盤容量算的 這邊倒好，數來數去兩隻手就數完了 但我要告訴你的是，這10個離子的含金量 約等於你在春運搶票軟件上連續10次點進去都搶到了票 還是同一趟車的同一個座位 這十個離子名叫 H1-53 是地球上此前從未被人類親眼確認過的一種原子核 它們是強流重離子加速器裝置 也就是 HIAF 試運行不到一個月就釣上來的第一條大魚 相關成果發在了《科學通報》上 今天我們就從這十個離子出發 把原子核世界的地圖邊界規矩 和這臺中國大機器的看家本領 一層一層剝開給你看 先來解決最基礎的問題 科學家們整天說的核素版圖 到底是張什麼圖？ 我們知道，原子核由質子和中子組成 質子帶正電，決定元素身份 質子是幾個，元素就排第幾號 中子不帶電，數量可以上下浮動 同樣一種元素，中子數不同就是不同的核素 比如氫，一個質子獨身的是氕 帶一箇中子的是氘，帶兩個的是氚 哥仨在化學上是同一種元素 在覈物理裏卻是三個不同的角色 如果把質子數當縱座標，中子數當橫座標 把每一種核素畫成一個格子 你會得到一張神奇的地圖 這張圖中間有一條彎彎曲曲的長條地帶 叫穩定谷 裏面住着200多種穩定核素 從宇宙大爆炸之後的漫長歲月裏活到今天 紋絲不動 穩定谷兩邊則是廣闊的放射性區域 那裏的核素命比紙薄 活幾秒的，活幾毫秒的，活幾納秒的都有 衰變方式五花八門 這張圖目前已經填進去了3000多種核素 而理論預言 這張圖理論上可能存在的核素總數 在7000到10000種之間 也就是說，人類折騰了100多年 地圖點亮的可能還不到一半 大片區域至今是戰爭迷霧 地圖的邊界叫滴線，這個名字起得特別形象 原子核不是無底洞，它束縛核子的能力是有極限的 你往一個核裏硬塞中子 塞到最後一箇中子的分離能變成零甚至負數 這個中子就待不住了 會像屋檐上掛不住的水滴一樣直接滴出去 中子這邊叫中子滴線，質子那邊叫質子滴線 滴線之外是原子核的絕對禁區誰碰誰散架 那麼問題來了，原子核內部的員工管理爲什麼這麼難 因爲核裏有兩股勢力天天打架 第一股是強相互作用力 它是自然界四種基本力裏最橫的一位 比電磁力強100多倍 把質子和中子死死黏在一起 但它有個致命缺點，手短 作用範圍只有幾個飛米 一飛米是千萬億分之一米 出了這個範圍它就鞭長莫及 第二股勢力是電磁力 質子帶正電，同性相斥 而且電磁力手很長 全核範圍內的所有質子 兩兩之間都在互相嫌棄 於是原子核裏的局面是這樣的 強相互作用負責拉攏 但只能照顧到身邊幾個鄰居 電磁力負責拆臺，而且是全員互相拆臺 核越大，質子越多，拆臺的合力就越大 這時候中子的價值就體現出來了 中子不帶電，不參與排斥，只貢獻強力的粘接效果 相當於一個只幹活不搶資源的金牌和事佬 把質子們隔開緩衝，所以重核需要的中子數總比質子數多 鉛-208是82個質子配126箇中子 比例嚴重向中子傾斜 但這套維穩系統不是無限的 中子太多，核的整體能量不划算 中子會通過β衰變原地變身成質子 順便吐出一個電子 中子太少，質子密度過高 庫侖斥力壓不住 核就通過β正衰變 或者電子俘獲 把質子變成中子 極端的甚至直接把質子噴出去 穩定谷之所以是一條窄帶 就是因爲中子和質子的配比窗口非常挑剔 多一點少一點都要出事 H-153呆的地方恰恰是缺中子的那一側 中子配額緊張到了危險邊緣 這裏還得插播一個關鍵概念 幻數 上世紀40年代末 麥耶夫人和嚴森各自獨立提出 質子和中子在覈裏不是亂燉一鍋粥 而是像電子在原子核外一樣分層住宿舍的 一層一層填滿 當某一層的核子數恰好填滿 2 8 20 28 50 82 126 這些數字時 核會格外穩定 就像遊戲角色升到了整級 屬性和防禦都上一臺階 這兩位後來憑核殼層模型 拿了1963年的諾貝爾物理學獎 自然界裏的鉛208是雙幻數核 質子82 中子126雙滿員穩得像個退休老幹部 而我們今天的主角Hf153 72個質子 81箇中子 注意這個81 距離中子幻數82就差一個 一個住在豪宅區隔壁自己卻湊不齊滿員配置的核 它到底還算不算穩 它的結構會不會和理論預言的不一樣 它身上帶着檢驗殼層模型 在這個區域是否依然好使的關鍵信息 這就是爲什麼全世界的核物理學家都對他虎視眈眈 說完了核物理的賬我們來翻翻化學的舊賬 因爲這個元素本身的故事 就堪稱元素髮現史上的一出懸疑劇 1913年英國物理學家莫塞 萊用X射線給元素X做骨齡檢測 發現元素的特徵X射線頻率和原子序數嚴格對應 元素週期表從此從按體重排隊升級成了按身份證號排隊 可惜這位天才1915年死在了加里波利戰場，年僅27歲 物理學界至今認爲他值一個諾貝爾獎 莫瑟萊的清單顯示 72號位置是個空位 第一個跳出來說自己找到72號的是法國人於爾班 1911年他宣佈從稀土殘渣裏分離出了新元素 起名 Celtium 問題是稀土那一大家子個個長得像 誰也說不清它分出來的到底是新元素還是雜質 真正的答案要等到1922年 在哥本哈根玻爾的研究所裏 荷蘭人科斯特和匈牙利人赫維西拿着X射線光譜儀 沒有去稀土堆裏翻而是扭頭盯上了鋯石 結果真就在鋯礦石的光譜裏 找到了72號元素的清晰譜線 玻爾對這事重視到什麼程度 1922年12月他領諾貝爾物理學獎時 直接在獲獎演講裏官宣了這個新元素 新元素用哥本哈根的拉丁名 Havnia 命名 鉿就此落戶 這裏有個化學原理必須講透 爲什麼72號元素藏了這麼久 而且偏偏藏在鋯石裏 答案是鑭系收縮 元素週期表越往下走 電子層數越多，原子半徑本該越大 鋯是第五週期，哈是第六週期 哈理應比鋯大一圈 但哈前面隔着鑭系十四個元素 這十四個元素填的是f軌道 電子屏蔽核電荷的效果很差 導致核電荷一路加碼 把後面的電子殼層往裏拽 等輪到哈時 它的原子半徑被拽的和鋯幾乎一模一樣 鋯大約一百六十皮米 哈大約一百五十九皮米 半徑一樣，價電子構型一樣 化學性質就像一個模子裏刻出來的雙胞胎 鋯和哈因此成了整個週期表裏最難分離的一對 普通化學手段根本分不清它們 得靠溶劑萃取之類的方法 成千上萬次的反覆倒騰 所以哈纔在所有含鋯的礦物裏隱身上百年 混在鋯的隊伍裏吃空餉，誰都發現不了 更有意思的是這對化學上的雙胞胎 到了核反應堆裏是徹頭徹尾的冤家 核反應堆的燃料包殼要用鋯合金 因爲鋯對中子幾乎是透明的 熱中子吸收截面只有0.18百恩左右 中子從它身上路過，它眼皮都不抬 而哈的熱中子吸收截面高達100多百恩 差了約600倍，是中子界的頭號吃貨 專門用來做控制棒反應堆 想踩剎車就插哈 所以核級鋯必須把哈除到萬分之一以下 否則包殼變成剎車片 反應堆直接變事故堆 化學上難分彼此 物理上你死我活 這對兄弟的劇本拿去拍電視劇都嫌狗血 順帶一提，你手裏的芯片也跟哈有關係 2007年英特爾在45納米制程裏 用氧化哈做高介電常數電介質 救了整個摩爾定律一命 哈這元素深藏功與名 好，回到哈153 天然哈有6種核素，從哈174到哈180 中子數從102排到108，個個養尊處優 而哈153只有81箇中子 比最瘦的穩定同位素還少了21箇中子 相當於從穩定谷一路走到了缺中子側的懸崖邊上 再往前一步就是質子滴線 這次測量給出的結論是 哈153是一個束縛或弱束縛核素 翻譯成人話就是 它把最後一個核子綁得不算牢 但確實還綁着，還沒散夥 這和現有理論模型的預測對上了 同期，日本理化學研究所也獨立報道了 H153 的觀測結果 兩家互相印證，這事兒就板上釘釘了 接下來是最硬核的部分 這種站在懸崖邊的核，人類是怎麼造出來，又怎麼認出來的？ 先說造 辦法叫氮核碎裂反應 原理粗暴到令人髮指 把一束重原子核加速到接近光速 讓它一頭撞在靶上 撞個粉身碎骨 從碎片裏淘金 這次實驗裏 HIAF 的增強器把 Bi209 加速到了 每個核子 836.66 兆電子伏特 換算下來大約是光速的 0.85 倍 B是83號元素 209個盒子 我們的目標是 H153，72 個質子 81個中子總共153個盒子 你算一下這筆賬 從B到H要撞掉11個質子外加45個中子 合計 56 個核子，這不是車禍 這是把一輛大巴車撞成一地零件 然後指望零件自己拼出一輛限量款跑車 而且撞的方式也很微妙，撞輕了剝不掉這麼多盒子 撞狠了碎成一鍋粥，什麼重核都剩不下，只有極少數碰撞 能把閉核恰到好處的削成H153的形狀 這種擦邊碰撞裏，外圍核子先被刮掉 剩下的熱乎乎的餘核再蒸發掉一批覈子降溫 最後才輪到H153出場 每一步都在掉概率 最終的產生截面低到令人髮指 這就是爲什麼HIF死磕強流兩個字 稀有核素的產生概率改不了，那是核力說了算 但你可以把彩票買的足夠多 HIF的設計指標裏 B數流每個脈衝能輸出2.4乘10的11次方個離子 也就是每脈衝2400億個閉核 這個指標把此前的國際最高紀錄提高了7.5倍 氧數流的紀錄也被提高了3倍 概率億分之一不可怕 可怕的是你只有一億張票 當你有千億張萬億張票的時候 保底總會來的 10個H153離子 就是從天文數字的炮彈裏篩出來的戰利品 再說篩 碎裂反應炸出來的是幾十上百種碎片的混合車流 H153混在裏面 佔比低到塵埃裏 怎麼把它挑出來？ 靠磁鐵 帶電粒子在磁場裏拐彎 彎的半徑由磁剛度決定 說白了就是動量除以電荷 質量大電荷小的粒子脾氣倔 彎轉的大，質量小電荷多的好欺負 彎轉的急 高能放射性束流線 就像一套層層設卡的海關 一串二級磁鐵加吸收材料排列組合 把彎的不對的粒子一批批攔下刮掉 最後放進終端的是純度足夠高的候選者 最後是認 這一步是本次實驗最漂亮的操作 篩出來的粒子被注入高精度環形譜儀 用的是等時性質譜技術 原理是這樣的 離子在環裏一圈一圈的跑 跑一圈要花多少時間？ 嚴格取決於它的質荷比 也就是質量除以電荷 只要測出每個離子轉圈的週期 就等於給它過了磅 但這裏有個麻煩 同一種離子跑出來時速度有高有低 快的圈短，慢圈長 週期就亂了 等時性模式的巧思在於 把磁鐵的佈局調成一種補償結構 讓飛得快的離子被迫走遠路 飛得慢的走近路，一來一回 只要質荷比相同 大家撞線的時間就幾乎一模一樣 這相當於給每個選手發了一張不同的賽道圖 快的跑外環 慢的超近道 最後看終點計時 靠這招 SRIN對單個離子的質量分辨能力高到百萬分之一 甚至更高的量級 而且是來一個測一個 單離子靈敏度 於是十個轉圈節奏與衆不同的離子被逮了個正着 週期一算 質荷比一覈對 身份證上寫的明明白白 72個質子 81箇中子 哈153 歡迎落戶核素圖 現在我們把鏡頭拉遠 看看幹成這件事的這臺機器 HIAF 坐落在廣東惠州 是國家重大科技基礎設施 2018年開工建了7年 2025年10月啓動全面調試 2026年7月21日通過工藝驗收進入試運行 結果試運行還沒滿月 第一個物理成果就上了期刊 這臺機器是一條完整的流水線 源頭是強流超導離子源 SECr 用 45GHz 的微波把原子反覆電離 剝掉幾十層電子 把幣包成帶31個正電荷的離子 然後離子進入 114 米長的 超導直線加速器 LINAC 完成預加速 接着進增強器 B-ring 這是一個周長 569 米的同步加速器環 最大磁剛度 34 特斯拉米 離子在裏面一圈圈被電磁場抽打提速 攢強度提能量 最後被推到每個核子近一級電子伏特的量級引出來 引出後的束流打靶產生碎片 碎片走192米長的高能碎片分離譜儀 進S-ring稱體重 整條鏈路上離子源超導直線 快循環同步環束流線譜儀環 五官六將 全是自主技術 調試期間還實現了束流一鍵貫通 創造了複雜大科學裝置快速出數的記錄 順帶說一句 S-Ring在測試裏已經把短壽命核的質量測量精度 刷到了世界最高水平 金202的質量精度比此前國際最好結果提高了一倍 把格局再打開一點 你會發現HIF走的是一條很有中國特色的技術路線 世界上玩放射性核素的頂級玩家還有幾家 日本的RIBF 美國的FRIB 德國的GSI 和在建的FAIR 大家的共同目標都是點亮核素圖的迷霧區 但打法各有側重 而HIF押注的核心競爭力就是流強 國際上脈衝流強最高的重離子束流 邏輯前面說過了 產生截面是天定的 彩票數量是人定的 把單位時間打出去的彈丸數堆到極致 稀有事件就從偶發變成批發 這條路線也不是從石頭縫裏蹦出來的 中科院近代物理所在蘭州運營重離子加速器幾十年 從 HIRFL 到冷卻儲存環 離子源技術 多年刷世界紀錄 惠州的這臺機器 是蘭州幾十年功力的一次集中變現 從跟跑到並跑，再到某些指標領跑 靠的不是口號 是一根一根超導磁體 一套一套射頻槍攢出來的 最後說說這十個離子到底改變了什麼 第一，核素圖上多了一個點 缺中子重核區的已知邊界往外挪了一格 別小看這一格 地圖的邊疆就是這麼一格一格推出去的 第二，Hf-153 的質量和束縛狀態被測定 等於給理論模型打了一個關鍵的地樁 核質量模型有幾十種，各自都聲稱自己算得準 但外推到無人區時誰說的對 只能靠實驗數據當裁判 Hf-153 這種貼着幻數 82 又嚴重缺中子的核 正是最能考驗模型成色的試金石 第三，它幫着確定質子滴線在 72 號元素附近到底畫在哪 原子核存在的邊界長什麼樣 這個核物理的終極問題之一 答案就藏在這些一個一個撈出來的新核素裏 而這只是開胃菜 官方的說法是隨著 HAF 性能繼續爬坡 探測能力預計還能再提高約兩個數量級 兩個數量級什麼概念 這次撈到十個的地方將來能撈到上千個 這次根本看不見的更稀有的核素 將來會成群結隊的浮出海面 這張核素圖上的迷霧 會被這臺惠州的大機器一片一片吹散 所以別嫌十個粒子少 一百多年前 科斯特和赫維西在哥本哈根的一小塊鋯石裏找到了 那個發現填上了元素週期表的一個空格 一百多年後一群中國科學家在惠州 用每秒數千億發炮彈 從核素的無人區裏拖回來 10 個 H1-53 填上了核素圖的一個空格 格子還很多 機器剛熱身 好戲在後頭