我科学家首次测出钴-51质量

    中科院近代物理研究所张玉虎研究员团队利用兰州重离子冷却储存环CSRe，首次测出短寿命核素钴—51质量，该成果近日发表于《物理快报B》。

    张玉虎介绍，打开一张核素图，自然界存在288种核素，理论预言人类可以制造出大约8000种核素。经过近百年的努力，科学家仅在实验室制造出约2800种核素，总共测量了2200多核素的质量，因此制造出新的原子核并精确测量它们的质量是各国科学家的不懈追求和梦想。

    为什么科学家如此热衷于测量原子或原子核的质量呢？因为原子核有一个奇特的性质，就是它的总质量小于组成它的核子的质量之和，用一个比喻就是1+1<2。丢失的那一部分质量会变成能量，我们常说的核电或核武器利用的就是那一部分核能。从科学的角度来讲，丢失的那一部分质量与控制原子核的“核力”密切相关，而对“核力”的理解可以说是核物理研究中的核心科学问题。精确“秤量”出了某个原子核的质量，你就相应地知道了这种神秘“核力”的一些定量的信息。

    然而，不稳定原子核的质量很难称量，因为它们的重量很轻，寿命也相当短。以钴—51为例，2万亿亿个钴—51比一粒小米还轻，寿命只有100毫秒，“眨一下眼睛的功夫这个原子核已经死亡10次了。”张玉虎说。

    要在极短的时间内称量出如此轻的原子核质量在技术上是一个挑战，首先要有一个高灵敏度的“秤”。目前，世界上最灵敏的“秤”是离子阱，但是对于寿命很短的原子核却无能为力。从2009年开始，近物所的科技人员利用兰州重离子冷却储存环CSRe，制造出了可以测量短寿命原子核质量的“秤”——等时性质量谱仪，其精确度可以达到10－7。

    研究人员将镍—58原子核放入加速器，加速到光速的三分之二，打靶（将它敲碎）产生目标核——钴—51并将其引入实验环，测量其循环周期，获取海量数据，再经过一年的数据处理和分析，得到了稀有核素的质量。除此之外，研究小组还在极缺（丰）中子区——中子数比稳定原子核中子数少的原子核区域，首次精确测量了16个原子核的质量，提高了20多个原子核的质量精度，取得了一批重要的物理成果。

    张玉虎表示，短寿命放射性原子核的质量在核结构及核天体物理研究中都具有非常重要的作用。从微观看，在已知原子核质量的前提下，可以研究原子核的结构，提取核内有效相互作用的信息。从宏观看，研究天体环境中化学元素如何产生，所需要的最重要知识是不稳定原子核的质量。因此，原子核的质量数据对核天体物理具有重要的应用价值。

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    重离子冷却储存环

    兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL-CSR）由主环CSRm、实验环CSRe、放射性束分离器（RIBLL2）、实验探测装置等组成，其超高真空束流管道总长约500m、总重1430t的各类高精度电磁铁220多台、大功率特殊电源近300台，是一个集累积、冷却、加速、储存、内靶实验及高分辨质量测量于一体的大型多功能实验装置。

    HIRFL-CSR的建成，拓宽了重离子加速器的研究领域，形成了一个以重离子物理为核心的学科群，既可对微观世界的强子、原子核、原子、分子、团簇，宏观世界的等离子体、固体、生物体、天体进行深入认知的基础研究，又可开展能源、材料、航天、生物、医学等领域的应用基础研究和应用研究。