Microscopic quasifission dynamics of the 54Cr+243Am{}^{54}\text{Cr}+{}^{243}\text{Am} reaction

本文利用基于 Skyrme 能量密度泛函的含时 Hartree-Fock 理论,系统研究了54Cr+243Am^{54}\text{Cr}+^{243}\text{Am}反应中的准裂变动力学,揭示了碰撞几何构型与入射能量如何共同调控壳效应对碎片形成及相互作用时间的影响,从而为优化超重元素合成实验的入射能量选择提供了关键理论依据。

Liang Li, Lu Guo

发布于 2026-03-10
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这是一篇关于如何制造“超重元素”(比如第 119 号元素)的科学研究论文。为了让你轻松理解,我们可以把整个研究过程想象成一场**“微观世界的极限碰撞游戏”**。

1. 背景:为什么我们要玩这个游戏?

科学家一直想制造出比目前已知最重元素(118 号)更重的元素,比如119 号元素。这就像是在攀登一座名为“元素周期表”的高山,山顶有一个传说中的“稳定岛”,那里的元素能存在很久。

但是,攀登非常困难。当你试图把两个原子核(像两个小球)撞在一起,希望它们融合成一个新的大球时,它们往往还没融合好就分开了。这种“还没结婚就离婚”的现象,在物理学里叫**“准裂变”(Quasi-fission, QF)**。这是制造新元素的最大拦路虎。

2. 实验设置:两个特殊的“积木”

在这项研究中,科学家选择了两个特定的原子核作为“积木”:

  • 进攻方(弹丸): 铬 -54(54Cr^{54}\text{Cr})。它长得像个橄榄球(两头尖,中间胖)。
  • 防守方(靶核): 镅 -243(243Am^{243}\text{Am})。它长得像个(一头大一头小,而且有点歪)。

关键问题: 当橄榄球撞向梨时,怎么撞?

  • 尖头对尖头(Tip): 橄榄球的尖头撞梨的尖头。
  • 侧面撞侧面(Side): 橄榄球的侧面撞梨的侧面。
  • 角度不同: 梨还可以正着放、倒着放或者歪着放。

3. 研究方法:超级计算机的“慢动作回放”

科学家没有真的去造原子(因为太难了),而是用超级计算机运行了一个叫“含时哈特里 - 福克(TDHF)”的模拟程序。
这就像是用超高速摄像机,把两个原子核碰撞、融合、然后可能分开的过程,一帧一帧地模拟出来。他们不仅模拟了不同的撞击角度,还模拟了不同的撞击速度(能量)

4. 核心发现:三个有趣的“游戏规则”

发现一:撞的角度决定命运(“橄榄球”的朝向很重要)

  • 侧面碰撞(Side): 当橄榄球用“胖肚子”去撞梨时,就像两个大胖子抱在一起。这时候,原子核内部的**“壳层效应”(可以理解为原子核内部的“隐形骨架”“磁力”**)会起主导作用。
    • 这种“磁力”会把碎片强行拉向某些特定的形状(比如让重碎片变成完美的球形,轻碎片变成特定的橄榄球形)。
    • 结果: 它们抱得不够紧,很快就因为内部结构的“僵硬”而分开了(接触时间短),导致融合失败。
  • 尖头碰撞(Tip): 当橄榄球用“尖头”去撞时,接触面小,就像用针尖去戳。
    • 这时候内部的“磁力”影响变小了,碎片交换得比较少。
    • 结果: 虽然也没完全融合,但表现和侧面撞完全不同。

发现二:速度太快或太慢都不行(“能量”的魔法)

科学家发现,撞击的速度(能量)对结果影响巨大,就像调收音机一样:

  • 低速区: 就像两个慢悠悠走来的球,还没碰到就弹开了(准弹性散射)。
  • 中速区(220-240 MeV): 这是一个**“陷阱区”**。在这个速度下,梨形原子核的“八极变形”(那个歪歪扭扭的形状)特别稳定,像磁铁一样把碎片吸住,让它们很难融合成完美的球体,反而容易分裂。
  • 高速区(>300 MeV): 速度太快,能量太高,把那些复杂的“形状磁力”都震散了。这时候,碎片反而更容易回归到最稳定的“球形”状态。
  • 最佳窗口(226 MeV 左右): 科学家发现了一个神奇的速度区间,在这个区间里,那些阻碍融合的“形状磁力”暂时失效了。就像在拥挤的人群中突然找到了一条空道,这时候融合成功的概率可能会变大!

发现三:时间就是金钱

在侧面碰撞中,当碎片快要形成那个完美的“球形”时,它们分开的速度反而变快了

  • 比喻: 就像两个人跳舞,本来想抱得更紧,结果其中一个人突然发现自己变成了“完美球体”,变得非常“僵硬”,导致脖子(连接处)瞬间断裂,两人迅速分开。这说明量子效应让原子核在特定时刻变得“刚硬”无比。

5. 结论:这对我们意味着什么?

这项研究告诉我们,制造新元素不是靠“大力出奇迹”,而是要**“巧劲”**。

  1. 角度很重要: 并不是所有撞击角度都一样,侧面撞击更容易被“壳层效应”带偏,导致失败。
  2. 速度是关键: 存在一个**“黄金速度窗口”**。如果我们能精确控制加速器,让原子核以这个特定的速度(大约 226 MeV)去撞击,就能避开那些让原子核“分道扬镳”的陷阱。

一句话总结:
这就好比你要把两块形状奇怪的橡皮泥捏在一起。如果你用力太猛(能量太高)或者太轻(能量太低),或者用错误的角度(侧面)去捏,它们都会弹开。但如果你找到了那个**“完美的力度和角度”,就能避开橡皮泥内部的“倔强脾气”,成功把它们捏成一个新的大球。这项研究就是帮科学家找到了这个“完美力度”**的线索,为未来制造第 119 号元素指明了方向。