重離子核物理

原子核物理學的一個分支學科。利用加速到各種不同能量的重離子（質量大於α 粒子的離子）轟擊原子核，研究核結構和運動變化規律。這是近20多年來原子核物理學的一個活躍的前沿領域。重離子束也用來研究原子、分子以及凝聚態的結構和性質。

基本介紹

• 中文名：重離子核物理
• 外文名：Heavy ion nuclear physics
• 時間：20世紀50年代
• 結構：複合離子

簡介

20世紀50年代中期以前，人們只利用質量小於α 粒子的輕離子如氦核、氚核、氘核、質子,中子、電子和γ射線等轟擊各種原子核，研究原子核的結構和變革規律，並取得了很大的成績。50年代末，人們開始加速碳、氮、氧的原子核去轟擊原子核，當時主要進行彈性散射和少數核子轉移反應。從60年代中期到70年代初期，重離子核反應逐步成為獲得人工合成超鍆元素的主要手段。人們先後通過重離子核反應合成了102(鍩)、103（鐒）、104、105、106、107、108和109號元素(見超鈾元素)。

過去多年，人們在實驗中發現並用各種方法研究了近 2000種核素,其中大部分都是處於β穩定線附近的核。根據理論估計,在自然界可能存在著 5000多種核素。也就是說還可能有 3000多種遠離β穩定線的核素有待於進一步認識，這也是重離子核物理一項基礎研究。對於這些核素性質的研究，將大大豐富對核結構的了解。

在60年代後期，核物理學家根據已有的核結構理論，推斷在質子數為114，中子數為184附近可能存在著一系列壽命較長的原子核，稱為超重核，接著預測了它們的物理、化學性質並建議合成它們的各種途徑。在這種理論預言的推動下，一些有條件的實驗室改裝已有的加速器或籌建新的加速器來加速重離子，每核子能量達到幾兆電子伏，以用來研究重離子核反應。迄今，合成超重核的試驗還在進行。儘管這種努力還沒有取得肯定的結果，但是重離子核反應的研究卻取得了重要的進展，開闢了幾個對核結構和核反應機制有重要意義的研究領域。套用重離子束來研究原子、分子、固體及套用於生物和醫學等學科領域的工作，也逐步開展起來，受到了人們的普遍重視。

重離子核反應

重離子是具有結構的複合粒子，它所引起的核反應機制在某些重要方面同輕離子核反應有很大的差別。人們還可以根據研究的需要,選擇各種靶核和彈核的結合，這也是重離子核反應的一個獨特的優點。

重離子相對運動的德布羅意波長λ 很短，典型的量級為1/10fm。比原子核的直徑小得多，然而對於4MeV的質子同樣轟擊Th，則 λ≈2.25fm，比重離子的德布羅意波長大得多。因此，重離子碰撞過程的典型情況可以利用經典粒子碰撞的軌道圖像來描述(圖1),重離子碰撞過程的反應機制可以按照碰撞參量b或軌道角動量l來進行分類,即隨著b或l的減少，兩個原子核的相互作用由表面到內部,順次發生彈性散射、非彈性散射（主要是庫侖激發）、轉移反應（重離子核反應中一般將彈性散射、非彈性散射和轉移反應統稱為準彈性散射）、重離子深部非彈性碰撞和全熔合反應(有時隨著b的減小,會先發生全熔合反應,後發生深部非彈性碰撞)。它們的反應截面隨著碰撞系統軌道角動量l值的分布的典型情況可用圖2和表來表示。

準彈性散射

重離子彈性散射基本上是庫侖散射和黑體衍射的組合，如果用核反應光學模型勢計算彈性散射角分布和吸收截面則可以獲得同實驗基本符合的結果。但是重離子光學勢參量的不確定性很大，難以給出確定的物理解釋。

因為庫侖激發的幾率同核電荷數 Z的二次方成正比，故用重離子進行庫侖激發遠比輕離子有效得多，在擦邊碰撞中,也通過核力作用激發靶核或彈核的集體運動,這些非彈性散射是研究原子核集體運動的一種途徑。在重離子轉移反應中,轉移的核子數從一個、兩個、三個、......到很多個都有可能，從而提供了研究兩個、三個、四個乃至更多的核子結合成大塊核物質轉移的可能性。兩個重離子核表面相互接觸摻進越深,轉移的核子數越多,能量和角動量的轉移也就越多。這是用重離子轉移反應來研究原子核表面結構的有利的方面。但是這種研究在理論處理上還有不少困難，首先是重離子核反應的開道很多，而不同道之間又有耦合，質量轉移可以是一步完成，也可能是多步轉移，加之必須考慮反衝效應，有限力程效應等，因而數值計算較繁。其次，在實驗結果的分析中,必須把經典動力學效應（如Q窗效應等）正確地考慮進去，才能可靠地揭示原子核的結構。以上這些問題還有待於逐步解決。

非彈性碰撞

正處於少數自由度參與反應的直接核反應和全熔合反應之間的過渡區域，是一種非平衡態的過程。實驗上已經揭示出各種巨觀物理量如能量、質量、電荷、角動量、中子質子比、角分布隨相互作用時間而弛豫的一些規律，以及它們之間的一些互相制約關係。理論上用經典動力學方程，非平衡態統計理論等對以上現象進行了一些計算和解釋。但整個研究工作還僅是個開始，問題相當複雜。因為一個強相互作用量子多體系統的非平衡態過程,牽涉的因素很多,例如造成能量耗散的原因有原子核的集體激發、核子激發、核子交換等。而且對不同的反應系統和不同的反應階段，這些因素的主次關係不同。如何正確地區分和處理這些效應，實驗上、理論上都還有困難。此外，原子核又是個粒子數不太多的多體系統，因此更有其特殊性。由於以上種種原因，深部非彈性碰撞仍是重離子核反應的一個主要研究領域。

全熔合反應。

當l<l cr時，體系發生全熔合反應。全熔合是一個很複雜的動力學過程。但是簡單的經典模型就可以給出截面隨入射粒子能量變化的基本特徵。當能量很高或兩個重核相碰時,簡單的模型不很適用,反應機制還有待進一步研究。

全熔合反應生成的複合核，一般都處在高自旋態和高激發態，因此是研究高自旋態的一個途徑。複合核經過蒸發若干個粒子，形成遠離β穩定線的缺中子核。這是產生遠離β穩定線核素的一種有效方法。

原子核的性質

理論預言,當核的自旋逐步增大時,核的結構會發生一系列的變化。由於科里奧利力的作用,對關聯（見核超導性和對關聯）受到削弱。先是使個別的對拆散，當轉移角動量和能量更大時還會引起原子核的相變，由超導相變成正常相。某些原子核的形狀隨著轉動的加快而發生形狀變化。如由長橢球變成非軸對稱橢球或扁橢球。這些理論上的推測已由於在實驗上發現了回彎現象等而得到了部分的驗證。

原子核轉動的進一步加快，原子核的總角動量可以由單粒子角動量的總和給出,而沒有集體運動的貢獻。此時可以出現壽命很長的轉動核，即所謂"陷阱態"。實驗上已經觀察到了某些高自旋的同質異能態。

以上說明了在高速轉動情況下，由於原子核殼層效應、對力、科里奧利力和離心力之間的競爭將導致原子核內部結構發生變化。

中高能重離子

70年代初期，國際上陸續建成了三台中高能重離子加速器，美國伯克利勞倫斯實驗室的超級重離子直線加速器可以作為代表，1975年出束以來,已能加速各種離子，每核子能量從10到2.1×10eV。並積累了大量的實驗結果。例如測量了某些反應發射粒子的多重性;某種粒子的能譜;靶殘餘物的質量和電荷分布等等。理論上為了解釋已觀察到的實驗結果，提出了一些模型和理論，例如火球模型，相對論流體動力學模型等。定性地解釋了部分實驗上的特徵。同時理論上預言了許多在高能重離子碰撞中可能產生的新奇現象，如衝擊波、π凝聚（見核物質的異常態）等,這都有待於實驗證實。

套用

在深入進行重離子核物理基礎研究的同時，重離子在其他學科中已開始有了套用並受到重視。

重離子穿透薄膜時，同媒質中的電子發生強烈的庫侖相互作用，電子被剝離幾率大於複合幾率，所以高速重離子穿過媒質薄膜後，將處於高度剝離的激髮狀態。在薄膜後的不同距離（激發後的不同時刻）測量激發離子發射的光譜，可以研究這些激發態的特性及壽命（見束－箔光譜學）。重離子束的套用給研究原子的內殼層的特性提供了有利的條件，這同天體物理的研究有密切的關係。

除了套用於半導體器件的製造和材料的表面處理（如改變材料表面硬度、摩擦係數、抗腐蝕能力）等的離子注入技術外，重離子束還可用來改變薄膜的性能、製造孔徑為幾納米到幾十微米的核薄膜濾器。用重離子束模擬研究裂變反應堆或聚變反應堆中釋熱元件和結構材料的輻照損傷，其效率遠遠超過其他方法。

重離子已開始套用到放射生物學、放射診斷和放射治療等方面。在放射治療癌症方面，同X 射線相比，重離子在生物體中線能量轉移值高，而且可以精確地控制劑量及射程，定位性能好，射程末端的釋放能量集中，可使殺傷效果集中在需要照射的局部範圍內，而減小對周圍健康組織的損傷。

加速探測技術

是提拱一定強度的單能重離子束的裝置，按基礎研究和套用研究的不同的要求，把不同的核素加速到所需的能量並保證較好的束流相空間特性(見束流輸運系統)。目前重離子加速器的主要類型有直線加速器、回旋加速器和串列靜電加速器。在負離子源的技術發展的基礎上，串列靜電加速器能提供高能量分辯（分辯率達10 ）的重離子束，同步加速器是用來獲得單粒子能量在10～10eV的重離子束的。與輕離子加速器不同，重離子加速器大都是把幾台加速器串接起來，中間安裝一個或幾個剝離器以提高離子電荷態，進行離子加速。這樣，可在離子加速的不同階段發揮各種類型加速器的特點，以降低加速器的造價和提高束流的性能。

兩個原子核的相互作用

為了研究重離子引起的核反應，首先要對反應產物進行鑑別，確定是什麼核素，同時還要確定該核素產物的能譜和出射角及方位角。對一個產物來講，在實驗中可直接測量的量有總動能、通過一定厚度的薄層媒質時的能量損失、電磁剛度、經過一定距離的飛行時間等，由此可以確定產物的能量、原子序數和質量數（見核物理實驗中的粒子鑑別技術）。產物的出射方向一般由探測器的位置確定，但由於出射道的數目增加，某一特定核素的截面比較小，同時原始產物的繼發衰變使得產物偏離反應平面，所以在許多重離子核物理實驗中常常採用大立體角二維位置靈敏探測裝置。鑒於重離子引起核反應的複雜性，只測量一個產物通常還不足以確定核反應，所以在實驗中往往要進行符合測量，以確定某一反應中幾個產物之間的關聯,如碎片-碎片、碎片-輕粒子、碎片－γ射線之間的關聯等等。

在探測技術的具體選擇上也有其特點。由於重離子產物在媒質中的電離密度大，輻照損傷嚴重，氣體探測器（見氣體電離探測器）得到了廣泛的套用。

在重離子引起的核反應中，反衝產物有足夠的動量，足以飛出靶箔，人們可以直接收集和分析反應的重產物，如使用氣體噴射技術收集反衝核，用電磁速度選擇器直接從束流方向上分離出熔合蒸發的反衝剩餘核，線上同位素分離器是鑑別壽命比較短的核素質量的有效裝置。

在重離子核反應中，反應產物常常處在高自旋高激髮狀態，在退激過程中會放出很多γ射線和不少中子。因此γ多重性測量和中子多重性測量，對研究反應機制和產物性質具有重要意義。在重離子核反應中，這種多重性的測量是通過多個探測器和多參量數據獲取系統而實現的。

可以預期，隨著已有重離子加速器和探測裝置的不斷改進，新的加速器和探測設備的使用，重離子核物理的基礎研究和重離子束的套用將會得到更加廣泛、深入的發展。