⚛️ 核理论

Contribution of incomplete fusion to the evaporation residue cross sections in the $^{30}$ Si $+^{186}$ W reaction

本研究采用双核系统模型来证明，虽然在较低能量下完全融合在 $^{30}$ Si+ $^{186}$ W 反应中占据蒸发残核形成的主导地位，但在较高能量下（ $E_{c.m.} > 128$ MeV），通过 $\alpha$ 粒子发射的不完全融合成为 Rn 同位素的主要来源，从而成功解释了测得的总蒸发残核截面。

原作者： Bakhodir Kayumov, Avazbek Nasirov

发布于 2026-10-14

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CC BY 4.0

原作者： Bakhodir Kayumov, Avazbek Nasirov

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

在亚原子世界中，物质是由质子和中子构成的。科学家们经常尝试通过将两个较轻的原子核以极高的速度撞击在一起，来制造更重的元素。当这两个原子核发生碰撞时，它们可以粘合在一起，形成一个单一、更大且高度激发的“复合原子核”。这个新的、不稳定的巨型结构随后会通过射出像中子或阿尔法粒子这样微小的粒子来进行冷却，最终稳定成一种新的重元素。然而，这一过程充满了困难。通常情况下，这两个碰撞的原子核并不会合并为一个整体，而是彼此擦肩而过，或者在完全融合之前就破碎成两个不同的碎片。这种无法融合的情况是人类探索合成宇宙中最重元素过程中面临的主要障碍。

为了理解这些碰撞为何成功或失败，研究人员观察了所涉及原子核的形状与取向。许多原子核并非完美的球体；有些像煎饼一样扁平，而另一些则像橄榄球一样拉长。当这些形状奇特的原子核相撞时，它们撞击的角度至关重要。此外，在极高速度下，一个原子核可能不仅仅是分裂成两半相等的部分，还可能会脱落一个小块（例如一个阿尔法粒子），然后其余部分再与目标进行融合。这种被称为“非完全融合”（incomplete fusion）的现象产生了一套不同于标准完全融合过程的重元素。了解这些不同结果之间的平衡，对于预测哪些重元素可以被制备出来以及能生产多少这类元素至关重要。

一支研究团队最近对硅-30与钨-186之间的一种特定碰撞进行了深入研究，旨在观察这些不同的融合路径是如何演变的。他们利用了一种先进的计算机模型，该模型将相互碰撞的原子核视为一对临时的舞伴，模拟了这两个原子互相撞击时会发生什么。他们的目标是计算：原子核完全结合在一起的频率是多少，破裂成碎片的频率是多少，以及经历非完全融合（即在一个小部件在主体合并前就被剥离）的频率又是多少。他们专注于一系列碰撞能量范围，从107.6到172.2百万电子伏特，这一量级代表了迫使这些原子核心聚拢所需的剧烈能量。

研究人员发现，在较低的碰撞能量下，创造理想重残余物的主要方式是通过完全融合——即将两个原子核融合成一个名为镭-216的单一单元。然而，随着碰撞能量增加超过约128 MeV，情况发生了戏剧性的变化。在高能量范围内，非完全融合过程成为了最终生成重元素的优势来源。在这种情景下，正在碰撞的系统发生破裂并释放出一个阿尔法粒子，留下了一个稍轻一点的核素，称为氡-212。这项研究表明，在上述能量阈值之上，通过非完全融合产生的氡同位素贡献了超过一半观测到的重残余物。

这种主导地位的转变解释了一个实验数据中的长期谜团。当科学家测量这些碰撞中所产生的重物质总量时，即便是在能量变得非常高的情况下，数值并没有如预期的那样迅速下降。如果只有完全融合过程在起作用，那么随着能量上升，镭同位素的产量将会骤降十倍。然而，总产率却保持得相对稳定。研究人员的计算显示，非完全融合通道填补了这个缺口。虽然由于完全融合导致的镭的产量急剧下降，但通过非完全融合生成的氳的产量有所上升，从而补偿了损失，使得重残余物的总数没有出现崩塌式下滑。

该项研究还阐明了所产生粒子的性质。研究人员计算得出，在这些能量水平下，几乎不可能通过标准的完全融合途径来形成重氡同位室，特别是氡-212和氡-211。要让已完全合并的原子核从中脱掉一个阿尔法粒子，其所需能量实在太高了。相反，这些特定的同位素几乎全都是由非完全融合过程造成的——在此过程中，阿尔法粒子在碰撞早期就被剥离，留下了更加“冷”且更稳定的氡原子核。这种区别如此显著，以至于如果在实验中检测到这些特定的氡同位素，就能作为发生非完全融合的一个明确信号。

当研究人员将他们的模拟结果与实际实验数据进行对比时，发现两者在总体趋势上具有高度一致性。该模型成功地复现了重元素总产率在高能状态下的缓慢递减特征，而以往仅关注完全融合的模型无法解释这一特性。考虑到最有效的碰撞角度，研究人员算出原子核完全融合的可能性约为0.75。这略高于此前基于实验比较所得出的0.57的值，表明该理论模型能够精确捕捉此类物理碰撞的过程。这项工作证实了在该特定反应中，非完全融合不仅是一个次要效应，更是决定重元素形成的参与者，它从根本上塑造了实验室环境下可合成物质的格局。

技术摘要：不完全融合对 $^{30}\text{Si} + ^{186}\text{W}$ 反映中蒸发残核截面的贡献

问题陈述
重离子碰撞中蒸发残核（ER）的形成是一个复杂的物理过程，与准裂变（quasifission）存在竞争。虽然在历史上人们认为，只有当产物的电荷数乘积 $Z_1Z_2 > 1600$ 时，完全融合受阻的情况才会变得显著，但 $^{30}\text{Si} + ^{186}\text{W}$ 反映（ $Z_1Z_2 = 1036$ ）的实验数据表明情况并非如此。先前的研究指出，Ra 同位素（通过完全融合形成）的产额在较高激发能下显著下降，然而总的 ER 产额（包括 Rn 和 Fr 同位素）仍保持在相对较高的水平。这种差异表明存在一种超越完全融合和标准准裂变的机制。具体而言，Berriman 等人指出，在大的轨道角动量（ $\ell$ ）下，非 Ra 残核可能受到由于抛射体分裂成 $\alpha$ 粒子团簇而导致的不完全融合（ICF）的影响。对于这些非 Ra 残核（特别是 Rn 同位素）的高产额，其理论解释是本研究的主要课题。

方法论
作者在双核系统（DNS）模型的框架内，结合完全融合和 ICF 机制，对 $^{30}\text{Si} + ^{186}\text{W}$ 反映进行了分析。

捕获与动力学： 通过求解相对距离和轨道角动量的动力学运动方程，并对变形 $^{30}\text{Si}$ （扁平型）和 $^{186}\text{W}$ （拉长型）的取向角进行平均，计算了捕获截面。
势能面（PES）： DNS 的演化受包含壳效应的势能面（PES）支配。该模型考虑了导致完全融合的核子转移与导致准裂变的 DNS 分裂之间的竞争。
不完全融合机制： ICF 被视为不是预捕获分裂，而是由大 $\ell$ 下的核子转移所形成的极不对称配置（ $\alpha + ^{212}\text{Rn}$ ）下的 DNS 分裂。 $\alpha$ 粒子的发射概率是基于该特定 DNS 配置的填充及其通过准裂变势垒的分裂速率计算得出的。
统计去激发： 使用统计模型计算了激发复合核 $^{216}\text{Ra}^*$ （来自完全融合）和共轭核 $^{212}\text{Rn}^*$ （由 ICF 中 $\alpha$ 粒子发射形成）的生存概率。这包括中子、质子和 $\alpha$ 粒子发射宽度、经 Kramers 和 Strutinsky 修正后的裂变势垒，以及带有壳效应阻尼的能级密度。

主要贡献与结果

ICF 机制： 研究证实，该反应中的 ICF 是通过形成质量不对称的 DNS 配置（ $\alpha + ^{212}\text{Rn}$ ）并随后发射一个 $\alpha$ 粒子来实现的。这一过程在大的轨道角动量（ $\ell \approx 20\text{--}60\hbar$ ）下占主导地位。
截面贡献：
- 在较低碰撞能量（ $E_{c.m.} \lesssim 125$ MeV）下，完全融合是蒸发残核（Ra 同位素）的主要来源。
- 在 $E_{c.m.} > 128$ MeV 以上，不完全融合的贡献变得占据主导，占总计算 ER 截面的一半以上。
- ICF 截面从最低能量到 $E_{c.m.} \approx 120$ MeV 增加了两个数量级，在较高能量下达到约 30 mb。
重现实验数据：
- 完全融合（Ra 同位素）与 ICF（Rn 同位类）截面的总和，成功重现了高能下测得的总 ER 截面的缓慢下降趋势。
- 与此形成对比的是，仅 Ra 同位素的产额在该能量范围内下降了一个数量级。
- 计算的总 ER 截面在 $E_{c.m.} = 120\text{--}151$ MeV 范围内与实验数据的一致性在 17% 以内。
融合概率： 为 ER 形成贡献的偏波（ $\ell \leq 30\hbar$ ）计算出的融合概率约为 0.75。这一数值高于 Berriman 等人从实验数据中提取的 $0.57 \pm 0.08$ ，表明即使在 $Z_1Z_2 = 1036$ 的情况下，准裂变也会阻碍该反应中的完全融合。
同位素特征： 去激发通道的计算显示，完全融合对 $^{212}\text{Rn}$ 和 $^{211}\text{Rn}$ 形成的贡献微乎其微（截面 $< 10^{-3}$ mb）。这些同位素几乎完全是通过 ICF 形成的，其在 ICF 通道中的截面比完全融合通道高出三个数量级以上。

意义
本文证明，在 $^{30}\text{Si} + ^{186}\text{W}$ 反映中，由大轨道角动量下质量不对称 DNS 配置的分裂驱动的不完全融合，是解释总蒸发残核产额的关键机制。纳入 ICF 通道解决了实验中观察到的 Ra 同位素产额快速下降与总 ER 产额缓慢下降之间的差异。此外，研究确定了与 $\alpha$ 粒子共存的 $^{212}\text{Rn}$ 和 $^{211}\text{Rn}$ 同位素的产生，这是 ICF 机制的一个独特特征，为 DNS 不完全融合模型提供了潜在的检验手段。研究结果也进一步证实，即使在 $Z_1Z_2$ 远低于传统接受的 1600 阈值的情况下，准裂变也会显著阻碍完全融合。

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