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基于动力学形变双核模型的超重核合成机制解析与前沿探索

一、引言

1.1研究背景与意义

超重核合成是核物理领域中极具挑战性与前沿性的研究方向，对推动核物理理论的发展以及揭示宇宙物质构成的奥秘有着举足轻重的作用。自元素周期表被系统建立以来，科学家们一直致力于探寻新的元素，尤其是超重元素，这些元素的原子核即超重核，通常具有原子序数大于92的特征。超重核的研究是探索原子核质量极限的关键路径，对检验和完善原子核结构理论意义重大。比如，传统的原子核壳模型预言在质子数Z=114和中子数N=184附近存在一批长寿命的超重核，形成所谓的“超重稳定岛”，这一预言激发了全球科学家对超重核的探索热情，若能成功合成并研究这些处于“稳定岛”区域的超重核，将为原子核壳模型等理论提供直接的实验验证，有助于深入理解原子核内部的结构和相互作用机制。

从宇宙演化的角度来看，超重核合成机制的研究与宇宙中元素起源密切相关。在宇宙大爆炸之后，早期宇宙主要由氢、氦等轻元素组成，而重元素的产生则是通过恒星内部的核合成过程以及超新星爆发等极端天体物理事件实现的。研究超重核合成机制可以帮助我们更好地理解快中子俘获（r-process）等天体核合成过程，解释宇宙中元素丰度的分布规律，从而为揭示宇宙的演化历程提供重要线索。例如，通过对超重核合成过程中核反应截面、反应几率等参数的研究，可以模拟恒星内部和超新星爆发时的核合成环境，推断出不同元素在宇宙中的生成条件和相对丰度。

此外，超重核研究在实际应用方面也具有潜在价值。一方面，超重核的合成技术和相关理论研究可以推动加速器技术、探测器技术等实验技术的发展，这些技术的进步不仅在核物理领域有着重要应用，还可以拓展到医学、材料科学等其他领域，如用于癌症治疗的重离子放疗技术就借鉴了重离子核反应的相关原理；另一方面，超重核的独特性质可能使其成为新型材料或能源的潜在候选者，虽然目前还处于理论探索阶段，但一旦取得突破，将对人类社会的发展产生深远影响。

1.2超重核合成研究现状

超重核合成的研究历程充满了挑战与突破。早在20世纪中叶，科学家们就开始了对超重核的理论预言和实验探索。随着加速器技术和探测器技术的不断发展，实验上逐渐具备了合成超重核的条件。目前，超重核的合成主要通过重离子熔合蒸发反应来实现，根据反应过程中复合核激发能的高低，可分为冷熔合反应和热熔合反应。冷熔合反应通常以Pb或Bi作为靶核，弹核以接近库仑位垒的能量入射，形成的超重复合核激发能较低（约为15MeV），通过蒸发1-2个中子退激发，合成的超重核相对缺中子；而热熔合反应一般以Ca为弹核，锕系核素为靶核，反应中形成的复合核激发能较高（大于30MeV），需要蒸发3-5个中子退激发，得到的超重核更为丰中子。通过这些反应，科学家们已经成功合成了原子序数高达118号的奥加诺夫（Og）元素，这是超重核合成研究的一个重要里程碑。

在理论模型方面，目前存在多种用于解释超重核合成机制的模型。液滴模型将原子核视为由核子组成的经典流体滴，通过引入表面能、库仑能和体积能等修正项来描述原子核的性质，虽然该模型能够对一些宏观现象进行解释，但对于超重核合成过程中的量子效应等微观机制的描述存在局限性；核壳层模型则从微观角度出发，考虑核子在平均场中的运动，成功预言了“稳定岛”的存在，然而在处理复杂的核子-核子相互作用时也面临一定挑战；相互作用玻色子模型（IBM）通过将原子核中的核子配对视为玻色子，来描述原子核的低激发态性质，在解释超重核的一些集体激发现象方面取得了一定成果。

动力学形变双核模型作为一种新兴的理论模型，在超重核合成研究中展现出独特的优势。该模型认为超重核的合成可以分为两个阶段：第一阶段是形成两个近似等量子核的碰撞性反应，弹核和靶核在足够高的能量和足够小的碰撞参数条件下克服反应势垒，靠近并发生核融合反应，形成双核系统；第二阶段是两个子核之间的化学反应，类似于原子的化学键形成过程，沿着能量最低的路径进行，根据核素特点不同会出现不同的反应方式，形成不同的高能级结构。与其他模型相比，动力学形变双核模型能够更自然地考虑原子核在反应过程中的形变以及核子转移等动力学过程，自洽地包含同位旋和壳修正等因素，在解释一些实验现象时表现出较好的准确性。例如，在研究多核子转移反应时，该模型能够准确预测转移反应碎片的截面、动能与其势能值之间的关联性，为超重核合成机制的研究提供了新的视角。然而，该模型也并非完美无缺，目前还存在一些需要进一步完善的地方，比如对一些复杂的量子多体效应的处理还不够精确，在描述超重核合成的某些具体过程时与实验数据仍存在一定偏差。

1.3研究目的与创新点

本研究旨在基于动力学形变双核模型深入剖析超重核合成机制，具体研究