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至真探索 · 核反应

超重元素合成动力学-向第八周期冲刺

2026-07-02

2002年，俄罗斯杜布纳的物理学家用钙-48去打锎-249，合成了第118号元素——奥加涅松（Oganesson, Og）。它活了不到一毫秒就衰变了。但这个不到一毫秒的存在证明了一件事：质子数再多，原子核还能存在——虽然边缘越来越薄、越来越容易裂开。周期表第七行至此填满。

二十年后的今天，全球有四个实验室在争谁先迈出第八行的第一步——合成119号和120号元素。竞争的核心不是加速器的功率、不是探测器的灵敏度——而是一个动力学问題：两个核撞在一起之后，为什么它们通常不会粘住？

这就是"准裂变"（quasifission）——超重元素合成中最大的敌人。你把一颗弹核（比如钙-48）射向一颗重锕系靶核（比如锔-248），二者碰到一起，形成一个脖子——但如果脖子在完全融合之前就断了，它会滑回两半。准裂变消耗了绝大多数碰撞——对于超重元素合成，99.999%以上的碰撞最终都是准裂变，不是融合。融合成功的那些极少数的幸运事件——在最好的反应中截面约几个皮靶（10⁻³⁶ cm²）——才产生一个蒸发残余核（evaporation residue），才是你要的新元素。

从钙-48时代到钛-50时代的核心难度——就是用牺牲截面换抵达更高的质子数。钙-48是双幻核（Z=20, N=28）——它在融合过程中的量子壳效应保护了它和靶核组成的复合系统不容易过早断裂。你用钙-48打锔-248来合成116号元素的截面大约是几皮靶。你把弹核换成钛-50——非幻核，多了两个质子——同样去打一个锕系靶，截面立刻掉到十分之一飞靶量级（约10⁻³⁷ cm²）。这就是从第七行到第八行要付的门票：截面比你热熔合黄金时代的峰值小了至少一百倍。

但你不能不用钛-50。要造119号——你需要靶核的质子数比钙-48能覆盖的更高。爱锿（Z=99）和镄（Z=100）的半衰期太短，在实际意义上不可用作靶材。所以你只能增大弹核的质子数——钛-50（Z=22）、钒-51（Z=23）、铬-54（Z=24）——而靶核仍用可用的重锕系：锫-249、锔-248、镅-243。

2024年，杜布纳联合核子研究所（JINR）弗廖罗夫核反应实验室（FLNR）的DC-280回旋加速器——超重元素工厂的心脏——完成了一组关键的基准测量。他们用钙-48、钛-50和铬-54分别去打不同的锕系靶，形成同一个复合核——292号元素的同位素——来直接比较三种弹核的效率。结果：钛-50给出的蒸发残余截面约为钙-48的八分之一到十五分之一。铬-54更差——大约是钙-48的一百二十分之一。钛-50是"不再最好但还可以接受的最佳选择"。

这组数据奠定了国际竞争的基本盘。JINR的SHE工厂在2024年运行了超过4000小时的束流时间——钛-50和铬-54束流稳定在约2粒子微安（pμA）打在靶上。他们的计划是：用钛-50打锫-249来合成119号，预测截面约50飞靶（50×10⁻³⁹ cm²）——大约每月可能看到一个事件。但他们还没宣布发现。

中国——正在全力冲刺。

2024年3月，中国科学院近代物理研究所宣布了一条震动同行的消息：他们在中国超重元素研究加速器装置（CAFE2）上实现了14.8粒子微安、224 MeV的束流在靶稳定运行。这是国际同类装置的最高流强纪录——是JINR DC-280的数倍。CAFE2的核心线路是用铬-54（Z=24）去打镅-243（Z=95）合成119号。这个反应在双核系统模型下的预测截面约25-76飞靶——对钛-50打锫-249的优势是靶核镅-243的供应比锫-249充足得多。JINR的唯一锫-249来源是美国的橡树岭国家实验室——供应量极少且价格昂贵。中国选了铬-54路线——弹核稍重、截面稍低——但靶材自给。这个战略计算最终要靠CAFE2的超高流强来弥补：流强高几倍意味着事件统计翻几倍，截面低的劣势被统计量的优势对冲掉了。

近物所的对手不止JINR。日本的RIKEN——2004年合成了113号（鉨Nh）的团队——在用钒-51打锔-248来造119号。他们在2023-2024年间投入了惊人的428天束流时间专门搜索119号事件——没找到。给出的截面上限是4.85飞靶。美国劳伦斯伯克利国家实验室的Jacklyn Gates和Jennifer Pore等人则走了另一条路——用钛-50打锎-249来造120号。比119号多一个质子——但靶核锎-249的半衰期为351年，比锫-249的330天长得多——允许长时间束流积累。120号的预测截面也略高于119号——部分模型给出几百飞靶。伯克利在2025年完成了一轮钛-50打钚-244的初步测量——作为正式冲击120号前的系统检验——结果正在分析中。德国GSI的Christoph Düllmann和Michael Block等人则走了钛-50打锫-249的路线——和JINR的直接竞争——但流强更低——放置了约50飞靶的上限，未发现事件。

现在来看这句话意味着什么：全球四个最先进的超重元素实验室——各自用了最敏感的设备、最长的束流时间、最强的束流——找了两年多，至今没有一个人看到过119号或120号元素。这不是失败——这是超重元素科学的内在逻辑。你需要的事件率可能低到每年一次甚至更少——你要连续观测一年以上，在几千亿亿个准裂变事件的噪声中找出可能只有一个的真实融合事件。背景压制、探测器效率和分离器传输效率中的任何一个出问题——你可能已经错过了那个唯一的事件。

这个极端低的截面从哪里来？理论家手里有三套互相竞争的解释。

第一套是双核系统模型（Dinuclear System, DNS）。最早由莫斯科的G.G. Adamian和N.V. Antonenko等人发展，它的核心假设是：弹核和靶核在接触后形成一个"双核分子"——核子通过颈部在两半之间缓慢交换——直到要么成功融合、要么断裂成准裂变碎片。DNS的优势是可操作性强——能算几乎任何弹核-靶核组合的融合-蒸发残余截面，而且精度不差。2025年，中国的黄明辉（北京大学/中科院理论物理所）和合作者在DNS框架下系统比较了从钙-48到铬-54弹核在锕系靶上的合成截面——包括质量模型依赖性（FRDM2012 vs WS4 vs KTUY05对截面预言的几倍到上百倍差异）。同年，方月萍和朱龙（中山大学中法核工程与技术学院）独立用Fusion-by-Diffusion（FBD）模型——由堪培拉的W.J. Świątecki等人发展——从径向和不对称度两个维度分析了钙-48到铬-54的过渡。他们的结论明确而且勇敢："从钙-48外推到钛-50和铬-54来合成超重元素不存在不可忽视的系统偏差。"他们对钛-50打钚-242/244和铬-54打铀-238的预言很好地复现了实验数据。

第二套是扩散-耦合道-朗之万-统计混合框架。2026年4月，川井康介（近畿大学/RIKEN）、田中翔也（北九州市立大学）和Aritomo等人在*Physical Review C*上发表了一项综合研究——将耦合道方法（处理弹核和靶核的碰撞前库仑激发和量子隧穿）、多维朗之万方程（处理接触后复合体的准裂变/融合竞争）、以及统计模型（处理融合后中子蒸发级联）串联在一起。三条链子逐一算——而不是像DNS那样把融合概率打包成一个参数。他们的结论：钙-48打锿-254仍是119号的最佳候选截面（233飞靶）——但由于锿靶的实际不可行性，钛-50打锫-249（206飞靶）是实际最佳选择。钒-51打锔-248（33飞靶）和铬-54打镅-243（38飞靶）显著更低。注意这个排序和DNS不一样。DNS给铬-54的反应截面有时比钛-50高——取决于你用的质量模型。川井的结论和钛-50支持者的阵营一致。

第三套是2024年底出现的一个搅局者。GSI的Khuyagbaatar提出了一个简单的系统性分析：他把所有公布的超重核合成截面画成平均裂变参数χₘ（反映了弹核-靶核不对称度和库仑排斥之间的平衡）的函数——结果发现当χₘ超过0.765时，截面出现了一个此前未被注意到的急剧下降。这不是线性外推——这是斜率在某个阈值上突然变陡。Khuyagbaatar的结论是："如果抛物线拟合成立，合成Og以上的超重核将极其困难。"这意味着所有基于钙-48经验的模型——DNS也好、FBD也好、朗之万也好——如果它们没有内建这个χₘ阈值效应，它们对钛-50和铬-54的截面预测都将系统性偏高一到两个量级。钛-50的χₘ恰好在0.75-0.77附近——如果裂变参数悬崖是真实的，那刚刚好站在悬崖边上。

这就是争议的核心。方月萍、朱龙和FBD阵营说："外推没问题。"川井、朗之万阵营说："钛-50是次优但可接受的选择。"Khuyagbaatar说："如果这条悬崖是真的，我们都低估了难度——可能一两个量级。"这三句话不可能同时正确。要解决它需要更多实验数据——但每一次实验要运行数月、消耗珍贵的靶材、花费数百万美元。你不知道你是在验证一个正确的理论、还是在否定一个错误的截面——你只是在投钱和投时间。

现在谈第三条路——多核子转移反应。

超重元素合成的致命局限在于——弹核最多只能多带几个质子。钙-48（Z=20）加靶核锎-252（Z=98）最多到Z=118。要超过118——只有两个选项：一是换更重的弹核（钛-50、铬-54——你们正在做），二是放弃融合-蒸发完全靠低速双核的核子交换来爬升质子数。

多核子转移反应——拿一束重离子（比如铀-238）去打另一块重靶（比如锔-248），两个核擦肩而过，在接触的极短时间内通过核子交换把少数质子-中子对从弹核转到靶核（或反过来）——能产生大量中子丰的锕系和超锕系核素。2025年，FLNR的Devaraja和Svirikhin等人用SHELS速度滤波器在钙-48打铅-208和钛-50打铅-208等多核子转移反应中观察到了多达8个质子转移的事件——每个额外质子的截面下降约5-8倍。更重要的是，这篇论文（*Physics Letters B* 862, 139353, 2025）论证了如果用钙-48打锎-251的多核子转移——可以产生约50种新的超铀和超重核素——其中约15种在Z≥100、质量数在冷熔合和热熔合都不覆盖的空白区。FLNR正在建造一个新的高收集效率分离器——STAR（超锕系研究分离器）——专门为多核子转移反应而设计。

2024年，*Physical Review C* 110, 064609的一篇理论论文直接比较了融合-蒸发和多核子转移产生超重核的效率：对于缺中子的超重核——融合-蒸发赢；对于丰中子的超重核——尤其是N≥160、N→184的那些——多核子转移有压倒性优势。这不只是一个替代方法——这是目前已知的、唯一可能抵达"稳定岛"中心（Z≈114-120, N≈184）的方法。融合-蒸发永远到不了那里——钙-48路线产生的同位素比N=184少6-10个中子，靶材的化学约束封锁了更多的中子带入。

2025年，中科院近物所的张志远等人（*Nuclear Science and Techniques* 36, 204, 2025）发表了一篇超重核合成进展的全面综述——明确将多核子转移纳入"发现未知超重核素的未来方向"三大支柱之一。北师大张丰收课题组在*原子能科学技术*（2025）上的综述也将多核子转移作为"抵达稳定岛的唯一方法"置于显著位置。中国理论界对这条替代路线的重视程度正在上升——虽然目前中国的多核子转移实验能力（在HIRFL和即将建成的HIAF上）还在积累阶段。

现在简短地说说天体物理联结——超重元素在宇宙中能不能天然存在？

2017年GW170817的中子星并合事件确认了r过程是重元素的工厂。但r过程的质量路能走多远？如果r过程路径碰巧经过了N=184的"稳定岛"——那些核可能活到几秒、几分、甚至几年——它们的丰度会在恒星光谱或陨石颗粒中留下化石痕迹。但目前的实验精度和核质量不确定性太大了——不同理论模型对同一超重核半衰期的预测可以差三到六个数量级。在没有实验中子丰超重核的寿命数据的情况下——天体物理的约束是空的。这就是为什么需要先在地面上做出更多超重核的原因之一——不只是为了填周期表。

最后回到中国战略。

近物所的CAFE2在流强上已占得先机——14.8 pμA是国际最好水平。但靶材供应、分离器效率（SHANS2气体填充反冲分离器的最新传输效率约58%——40氩打169铥的测试）、以及探测灵敏度——这三项是中国的相对短板。JINR在超重核的分离传输效率上积累了近三十年经验——DGFRS-2和GRAND分离器的传输效率接近60%——且积累了数千小时的超重核在线探测操作经验。RIKEN的气体填充分离器GARIS-III也在传输效率上逼近JINR。中国在加速器端领先——在分离探测端追赶。

理论上——北大裴俊琛课题组在2025年11月发表了基于微观密度泛函的Sk-SHE1超重核质量表——精确计算了铬-54打镅-243的Q值和最优束流能量。中山大学方月萍和朱龙课题组从FBD模型外推的角度为铬-54路线提供了理论支持。中科院理论物理所周善贵课题组在2025年9月在《物理》期刊上发表了新元素合成的全面综述——涵盖了从冷熔合到热熔合到多核子转移的全部路线，2026年1月在南京大学的报告中再次确认119号和120号的合成工作正在推进。西安交大张鸿飞和北师大张丰收等多个课题组提供了多维度的理论支撑。

这是中国在基础科学上一场不同寻常的竞赛：不需要追踪器的顶点定位、不需要万亿电子伏特——一台几十米长的直线加速器、一块微克级的稀有靶材、一个可以数单个原子核的探测阵列——去捕捉每几个月、甚至每几年才发生一次的事件。如果CAFE2的流强红利能在未来两年内兑现——中国可能成为第八周期元素的命名国。如果截面真的比理论预测的更低——Khuyagbaatar的悬崖成真——那所有人可能都要等多核子转移技术成熟、或者下一代加速器（HIAF全功率运行）来翻过这一页。

从2002年发现第118号，到2026年——二十四年过去——八周期的第一格仍空着。这扇门的门锁叫做"动力学"。弹核和靶核的波函数在接触面上的那短短一个zeptosecond（10⁻²¹秒）——你融进去了就赢，你滑出去了就输。目前没有人看到过成功的信号。但四台加速器正在日夜运行，四个最聪明的理论组在用不同的语言争论同一组数据，而答案——有还是没有——就藏在那个吞噬了所有噪声的探测器静默里。

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参考文献

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