1896年，法國物理學家貝克勒爾發現天然放射性現象，這是人類第一次觀察到原子核的變化，被看成是核物理學的開端。這一偉大發現使得人們對自然界的認識進入到費米（10^-15 m）尺度，極大地影響和改變了人類社會。1928年，喬治·伽莫夫用量子隧穿效應解釋了原子核的阿爾法(α)放射性。量子隧穿是典型的量子現象，由微觀粒子的波動性所決定。其逆過程，即兩個粒子形成一個復合核時也遵從同樣的規律，這已經被早期較輕原子核的熔合反應研究所證實。上世紀60年代以后，隨著粒子加速器能量的升高，人們可以研究較重核之間的核反應，形成了近庫侖勢壘重離子核反應的研究方向。上世紀80年代以來，在此方向產生了許多新發現，如：深部非彈性散射機制、壘下熔合反應截面增強、光學勢閾異常、準（預平衡）裂變與全熔合–裂變的競爭、勢壘分布與耦合道效應、弱束縛核的破裂效應與連續態的強耦合和奇特核特殊的核反應機制等。對近壘能區重離子核反應機制的研究，有助于人們對自然界中核過程的認識，如：恒星能源的產生、宇宙元素的合成與超重核合成等，同時，與國家核安全戰略以及核技術應用和核能開發等國民經濟活動密切相關。

“近庫侖勢壘重離子核反應機制研究”項目瞄準當前重離子核反應機制研究中的熱點問題，基于北京HI-13串列加速器，對彈性散射、準彈性散射、熔合和裂變反應等進行了詳盡的研究。實驗方面，對于穩定弱束縛核反應，通過光學勢和勢壘分布等研究，探明了核破裂效應對反應進程尤其是熔合反應過程的影響，揭示了背角準彈勢壘分布是研究核破裂效應的靈敏探針。利用深壘下能區背角準彈散射激發函數系統研究了核勢，為核勢表面彌散參數值正常提供了有力的實驗證據。揭示了近壘能區重離子核反應中核的內稟自由度與相對運動自由度之間深層次的耦合道機制，特別是正Q_tr值中子轉移道的耦合道效應。提出并驗證了利用轉移反應出射道提取暈核體系光學勢的方法。深入調查了中等質量核體系的熔合–裂變反應機制。理論方面，發現了熔合蒸發殘余核截面指數依賴于鞍點處有效裂變勢壘高度和有效中子分離能的差，改進了熔合–擴散模型，預言了合成117-120號超重元素的最佳彈–靶組合，為成功合成117和118號元素提供了現實的指導。這些都為重離子核反應機制研究和超重核合成提供了重要的實驗數據和理論指導。

“近庫侖勢壘重離子核反應機制研究”系國家自然基金項目，由中國原子能科學研究院承擔完成，主要完成人有林承鍵、賈會明、劉祖華、張煥喬、楊峰、吳振東、徐新星、楊磊。

一、總體思路

強耦合道效應是近庫侖勢壘能區重離子核反應的一個顯著特點，這決定了要從全反應道的角度研究核反應機制。實驗上，測量彈性散射、準彈性散射、熔合和裂變等反應道，較全面地調查各反應道之間深層次的聯系，特別是破裂反應和正Q_tr值中子轉移等反應道對熔合反應過程的影響以及熔合–裂變反應等相關核反應機制。全反應道的調查是實驗研究中的一個新思想。理論上，發展和改進熔合–擴散模型，重點探索從熱熔合反應途徑合成Z³118號超重元素的可能性、最佳反應體系和反應能量的選擇�？紤]頸部自由度與徑向運動自由度的耦合，這是理論研究中的一個創新。

二、主要發現點

項目開展了實驗和理論兩方面的研究，主要發現點為以下五方面。

1．研究了穩定弱束縛核體系的破裂效應，首次指出勢壘分布是調查原子核破裂及連續態強耦合效應的靈敏探針。

實驗測量了近壘能區^6,7Li,⁹Be+²⁰⁸Pb等體系的背角準彈散射激發函數，首次從背角準彈方向測量了弱束縛核體系的勢壘分布，研究了弱束縛核破裂反應對熔合反應的影響。通過對包含和不包含破裂成份的背角準彈勢壘分布與全熔合勢壘分布的比較，發現了勢壘分布峰位的移動。通過系統學研究，將傳統使用的適用于緊束縛核體系的流守恒表達式T+R=1擴展為T+R+B=1（其中T表示穿透幾率，R表示反射幾率，B表示破裂幾率），揭示了破裂反應對熔合反應的影響。首次指出勢壘分布是調查原子核破裂及連續態強耦合效應的靈敏探針，其后被多家國外實驗所驗證。

2．研究了正Q_tr值中子轉移道對熔合反應的耦合道效應，指出了相關效應的復雜性。

用靜電偏轉板裝置高精度測量了近壘能區³²S+^90,96Zr，¹⁸O+⁷⁴Ge和¹⁶O+⁷⁶Ge等體系的熔合激發函數。同時測量了³²S+^90,96Zr體系的背角準彈散射激發函數，并抽取了勢壘分布。研究了正Q_tr值中子轉移道和靶核3^-振動態的耦合對熔合反應的影響。為正Q_tr值中子轉移道可能導致壘下熔合截面增強增加了新的典型實驗證據，同時指出正Q_tr值中子轉移耦合道效應的極端復雜性，現有理論無法解釋，需要改進。

3．測量了³²S+¹⁸⁴W體系近壘能區的裂變碎片角分布，發現在此體系中存在相當比例的準裂變成份。

鑒于立項時國際國內對近壘能區重離子熔合–裂變反應機制的關注，測量了³²S+¹⁸⁴W體系近壘能區的裂變碎片角分布，結合雙核模型分析，指出在此體系中存在相當比例的準裂變成份，為在中等質量核反應體系中存在準裂變反應機制提供了新的實驗證據，深化了對裂變反應動力學的認識。

4．從背角準彈性散射的角度進一步排除了核勢表面彌散參數值的異常。

鑒于從熔合激發函數抽取的核勢表面彌散參數值異常大的問題，高精度、系統性地測量了¹⁶O+^152,154Sm、¹⁸⁴W、¹⁹⁶Pt、²⁰⁸Pb等體系的背角準彈散射激發函數，抽取了模型近似無關的核勢表面彌散參數值，為排除該參數值異常大提供了有力的證據。基于實驗上測量的背角準彈散射粒子能譜，揭示了可能存在新物理因素的貢獻，為理論研究提出新要求。

 5．理論上研究了超重核合成機制，發現了復合核蒸發殘余核截面的指數規律。首次考慮了頸部自由度與徑向運動自由度的耦合，改進了熔合–擴散模型。

通過深入研究，發現復合核蒸發殘余核截面指數依賴于裂變鞍點處裂變勢壘高度與中子發射閾值的差。指出根據這一指數規律，可確定實驗上合成超重核的最佳彈–靶組合，并預言了合成117號超重元素的反應體系和分道截面。Oganessian等人在合成117號元素的文章中引用了該理論預言�；�于宏觀的熔合–擴散模型，在國際上首次考慮了頸部和徑向運動的耦合動力學方程，模擬了復合體系從雙核到單核的動力學演化過程，解釋了¹³⁶Xe+¹³⁶Xe的實驗結果，并預言了利用⁵⁰Ti+^ACf合成120號超重元素的分道截面，為實驗上合成相關超重元素提供了重要的理論參考。

　　三、科學價值

項目在近壘能區弱束縛核破裂反應對熔合反應影響的研究中，首次從全反應道的角度考察了核破裂效應的影響，指出了勢壘分布是調查核破裂效應的靈敏探針，為破裂效應的研究提供了一個好的手段。在近壘能區重離子核反應中正Q_tr值中子轉移道的耦合道效應研究中，選擇有典型對比性的體系，分別調查了帶有正Q_tr值的多中子轉移和雙中子轉移道的耦合效應，指出了該效應的復雜性，需要進一步實驗調查和理論完善。在近壘能區重離子熔合–裂變反應機制研究中，測量了裂變碎片的角分布和質量分布，指出在中等質量核反應體系存在預平衡裂變的可能性。確證這種機制需要進一步做裂變碎片的質量–能量–角度的關聯測量，為今后工作指明了道路。

高精度測量了多個體系的背角準彈激發函數，為排除核勢表面彌散參數值異常大提供了有力的證據。同時，背角出射類彈粒子能譜反映了核反應機制的復雜性，揭示了可能存在新物理因素的貢獻；在奇特核反應體系光學勢的研究中，提出從轉移反應出射道抽取奇特核體系光學勢的方法，成功得到⁶He和¹⁷F反應體系的光學勢，為調查奇特核體系光學勢提供了新的思路；澄清了長期存在于⁹Be+²⁰⁸Pb、²⁰⁹Bi這兩個體系中的近壘光學勢閾異常行為不一致的問題，進一步支持了弱束縛核體系光學勢的破裂閾異常行為。在超重核合成理論研究中，發展了熔合–擴散模型，預言了合成117至120號超重元素的最佳彈–靶組合和分道反應截面，其中117號和118號已成功合成，與項目團隊的預言相符合，為合成超重元素提供了理論依據和現實的指導。

　　項目對近壘能區重離子相關核反應機制進行了深入研究，對相關核反應機制有了更進一步的認識，為理論發展積累了素材，產生了良好的學術影響和廣泛的社會影響。據不完全統計，研究期間項目團隊在近壘能區核反應機制研究方面共發表SCI學術論文42篇，其中Phys. Rev. C文章23篇，他引用次數約176次。10篇代表性論文他引102次，其中單篇最高他引19次。項目團隊成員多次應邀在國內外學術會議上作口頭報告，包括數次的邀請報告，提升了我國在低能核反應研究領域的國際話語權。項目執行期間共培養博士研究生7名，碩士研究生2名，出站博士后1人，為我國的核物理、核技術和核能源等相關領域輸送了優秀的人才。

　　值得一提的是，伴隨實驗發展起來的探測器、電子學和多參數數據獲取技術，尤其是自制的雙面硅條探測器、多路電荷靈敏前置放大器等前端電子學技術，促進了硅條探測器在國內核物理實驗中大規模的應用。項目團隊研制的多重帶電粒子硅條探測器陣列，實驗參數達到800路左右，滿足了現代精細實驗的要求。VME多參數數據獲取系統的速率達40,000 events/s，對放射性核束實驗有重要作用。上述伴生的技術加速了我國核探測技術的發展和基礎研究實驗能力的提升。