靳根明
中國科學院近代物理研究所
原子核是由質子和中子組成的。由確定的中子數和質子數構成的原子核被稱為核素。目前實驗上發現了3450 多種不同的核素。每種核素都有自己的壽命。這些核素中，穩定的和至今沒有觀察到衰變的核素只有254 種，另外有34 種核素，其壽命比地球的年齡還長。它們在核素圖上的位置——即β穩定線，位於狹長區域的中央。除這些核素外，其他核素壽命都比較短，統稱放射性核素，位於β穩定線的兩側。離穩定線越遠，核素的壽命越短，甚至即生即死。人們不禁要問，這3450 多種核素是從何而來？這是一個較為複雜的問題，簡單來說：核素有兩種來源，即在宇宙演化中產生和實驗室中人工合成。
01
宇宙演化合成的核素
1.1
原初核合成——宇宙大爆炸後的核合成
要回答這個問題，首先看看宇宙是從何而來的。
依據大爆炸理論，宇宙始於大約133~139 億年前的一次大爆炸，並從此開始了宇宙的膨脹與演化(如圖1 所示)。直到今天宇宙的演化仍在進行。大爆炸後約1 微秒，質子(p)和中子(n)及其反粒子就開始出現。隨著宇宙的膨脹，它的溫度也不斷下降，質子和中子積累得越來越多。在溫度降低到0.7MeV以下時，質子和中子的相互碰撞便有機會結合形成氘核(D)，並將多餘的能量以γ射線的形式放出，核反應表示式為：
n+p → D + γ 或者p(n，γ)D
氘核與質子碰到一起，就可能生成氦原子核，即D(p,γ)3He，氘核與氘核相碰也生成3He 並放出一箇中子，即D(d,n)3He(d 表示炮彈核D的符號用小寫字母)。氘核與中子相碰可能會生成有兩個中子的氫同位素——氚(3H)，也寫作T。有了3He、T，就有更多的機會生成更多種類的核素，如3He(n,p)T，T(d,n)4He，3He(d,p)4He。4He 的生成為進一步合成含有更多質子的原子核提供了機會，如圖2 所示。不過，隨著宇宙的不斷膨脹，溫度也在迅速地下降，再加上核合成的路徑上缺少質量數為5 和8 的穩定核素，十幾分鍾後，大爆炸核合成便終止了。在這短短的十幾分鍾內，主要合成了D、T、3He、4He、7Li、7Be 幾個核素。那些比較重的核素生成量極少，可以忽略。
圖1 宇宙之初
圖2 原初核合成網路
大爆炸後38 萬年左右，電子與原子核形成氫原子和氦原子。這些穩定的氣體原子在溫度進一步降低時會聚整合大小不等的氣體星雲。這些星雲在重力的作用下不斷地收縮聚集，形成恆星。不過這是在大爆炸後幾億年的事情了。
1.2
恆星演化過程中的核素合成
宇宙中恆星的質量大小不一，小的只有太陽的千分之一，大的是太陽的上萬倍，甚至更大。由於恆星質量的不同，其歸宿也有差別(見圖3)。
圖3 恆星演化示意圖
恆星演化過程中為什麼會發生核反應呢？這是因為在重力作用下，恆星體積收縮，引力勢能轉化成內能使其內部溫度升高。在達到核物質的點火溫度時，就會產生核反應。核反應產生的熱反過來抵抗重力導致的收縮。在核燃料消耗殆盡時，重力將再一次戰勝核反應產生的膨脹力，導致恆星的下一次坍縮，並進一步提升恆星的核心溫度。在一個恆星的演化過程中，由於內部溫度的不同，可以發生不同的核反應，見表1。
表1 恆星演化中的核反應過程
核燃燒過程其實就是以一種原子核為基本燃料的核反應過程。下面就每一種燃燒過程發生的背景作一些詳細介紹。
氫燃燒
恆星形成之前，其原始星雲的體積就會不斷地縮小，核心溫度不斷地上升。當核心的溫度達到約1 千萬度，密度也達到每立方厘米上百克時，H核之間就會發生核反應，並形成恆星。恆星的核心溫度通常都高於星體中核燃料的點火溫度。例如太陽，在中心0.25 太陽半徑的區域內，溫度高達1500 萬度，密度最高達160 g/cm3。這裡就發生著氫燃燒並放出巨大的核能，核反應是太陽能量的真正源頭。
在氫燃燒的過程中，首先是
p+p→D+e++v
進而有
p+D→3He+γ
3He+3He→4He+2p
兩個核反應過程。這一燃燒過程的總體效果是4 個氫原子核聚合成一個4He原子核，放出了兩個正電子、兩個中微子和兩條γ-射線(見圖4)，和大約27 MeV的能量。由於恆星內部的負反饋作用，產生能量的速率很穩定，因而能維持恆星的輻射長期恆定。在恆星內部的高密度和高溫度的環境中，3He和4He也有可能發生3He(4He,g)7Be反應。7Be的半衰期T1/2為53.29 天，會衰變為7Li，同時發射一個電子和中微子。7Li 會發生
7Li(p, γ)8Be,8Be→24He
反應，又回到了氦。這也是為什麼在恆星的氫燃燒過程中能夠產生7Li的原因。
圖4 氫燃燒過程中的核反應
氦燃燒過程
當一個恆星完成氫燃燒過程後，其核心便聚集了豐富的氦。氫燃燒的結束導致引力再次佔據主導地位，恆星核心將進一步收縮，溫度也會進一步升高。當溫度達到氦核的點火溫度時，恆星內部的氦原子核就會被燃燒，使恆星進入所謂的氦燃燒過程。
氦燃燒首先是3 個氦原子核聚合成一個12C。這個反應分為兩步走，第一步是兩個氦原子核聚合在一起，形成一個8Be(鈹-8，鈹元素的一個短壽命同位素)：
4He +4He → 8Be + γ
雖然8Be的半衰期只有約10-16 s，但在一個氦原子核密度非常高的環境中，8Be 原子核在衰變前就可能與另外一個氦原子核相撞，從而發生核反應：
8Be+4He→12C + γ
上面兩個核反應過程合在一起，就成了
4He+4He+4He → 12C + γ+7.2 MeV
隨著12C 原子核的產生，下面的核反應就有機會發生：
4He +12C→16O + γ + 7.16 MeV
當溫度足夠高時，還會發生
4He + 16O→20Ne + γ + 4.74 MeV
4He +20Ne→24Mg + γ + 9.31 MeV
等核反應。
這一連串核反應的最終結果是使恆星中產生了碳、氧、氖、鎂等一系列原子量為4的倍數的核素。
圖5 氦燃燒鏈示意圖
大質量恆星中的核燃燒過程
碳燃燒
在大質量恆星中，氦燃燒生成的碳、氧元素，為恆星的進一步提供了燃料。氦燃燒完成後，恆星核心的壓力和溫度會進一步升高，當溫度達到大約20億度，密度達到大約每立方厘米100 千克時，碳與碳相撞時可以融合成質量更重的原子核：氧、氖、鈉、鎂等元素的不同同位素，如圖6 所示，這就是所謂的碳燃燒過程。從圖中還看到碳燃燒有一條路徑可以生成中子，也就是說碳燃燒也是一種中子源，它會為生成更重的原子核提供炮彈(中子)。
圖6 大質量恆星中碳燃燒示意圖
氖燃燒
碳燃燒過程會將大質量恆星核心所有的碳幾乎消耗殆盡，產生氧/氖/鎂的核心。由於重力的作用，使密度增加和溫度上升達到氖燃燒的燃點，即氖吸收高能γ射線，放出α粒子和氧。由於α粒子的存在，就會與周圍的氖原子核發生反應，如
20Ne+4He →24Mg+γ
或者如果有21Ne，則可能會發生
21Ne +4He→24Mg + n
反應。也會有
23Na+4He→26Mg+p
反應發生。
當氖燃燒時，氖會被耗盡使核心只有氧和鎂堆積。
氧燃燒
氖燃燒過後，恆星核心的溫度進一步上升到約26 億度，密度增加到每立方厘米約200 千克時，在氧元素豐富的殼層就會發生氧燃燒過程，其結果主要生成磷－31 加質子和28Si 加4He。也就是說，氧燃燒可以生成大量28Si(34%)，這就給進一步的較重核的合成提供了可能。
Si燃燒
當恆星核心部位的溫度達到大約30 億度，密度達到大約每立方厘米10 噸時，在Si 非常豐富的殼層中就會發生矽燃燒。矽燃燒非常特殊，實際上是矽在很短的時間內連續地吸收4He，放出熱量，生成不同元素的同位素，最終可以形生成Fe 或Ni 的同位素。在這個過程中，一系列新生的原子核也會吸收γ射線，並放出4He (見圖7)。
圖7 矽燃燒中的核反應
矽燃燒階段恆星核心的溫度很高，原子核處於統計平衡狀態，最終形成以比結合能最大的鐵、鎳同位素。此後恆星中的核燃燒就停止了。為什麼不會生成更重的原子核呢？從原子核的結合能隨質量數的變化圖(圖8)可以看出，合成比鐵(鎳)更重的原子核時就要吸收能量，使恆星核心的溫度降低，從而失去核反應的條件。因為要生成更重的原子核，就需要有更高的環境溫度。另外，由於矽燃燒過程中能生成的重原子核只能是比較缺中子的，它們的壽命必定較短，與其他原子核融合的機會就很小。這兩個原因導致矽燃燒截至在鐵原子核附近。
圖8 原子核的比結合能的變化趨勢
比鐵重的原子核是如何形成的？
自然界存在著很多比鐵重的原子核，如銀，金，鉛，鈾等元素，它們又是如何形成的呢？直到現在，它還是一個沒有完全弄清楚問題。科學家們推測，快速中子俘獲過程(r—過程)，慢速中子俘獲過程(s—過程)應該是其來源的可能路線。
在某些天體過程，如在超新星暴發過程中，會形成中子密度極高的環境。這時，一個原子核同時會吸收許多箇中子，形成一箇中子數極多的原子核。由於中子數過多，它很快就連續發生β-衰變，最後成為一個新的穩定或長壽命的原子核。這一過程稱為r—過程。透過這一過程可以合成到鉛－208、鈾－235，鈾－238 這些非常重，且中子丰度比較大的穩定原子核。這一過程中涉及一系列極端豐中子的原子核，絕大部分核的性質都還不清楚。當前，核物理學家正在努力探索合成這些核素，並研究它們的性質。
s—過程發生於低中子丰度環境，例如在紅巨星階段，會透過
12C+p→13N+n+γ，13C+4He→16O+n+γ
反應提供中子，並引發重元素的中子俘獲反應。上述環境中的這些核反應提供的中子數目有限，可能在每立方厘米一億個以下。從鐵元素附近的原子核開始，透過連續吸收中子和β-衰變過程，即
(Z,A)+n→(Z+1,A+1)+β-+ve(電中微子)
慢慢地合成到很重的82號元素208Pb和83號元素209Bi原子核。
r—過程和s—過程的都能生成豐中子核素，那麼，缺中子核素在恆星的演化中又是如何合成的呢？
圖9 r過程
快質子吸收過程(rp—過程)
在這一過程中，由於有豐富的質子存在，環境溫度又非常之高，例如在10 億度左右，種子核就可以快速地吸收質子，然後放出正電子，即β+衰變，退回到比較穩定，即壽命比較長的核素(圖10)。用核反應式表示就是：
X(p，γ)Y，Y→Z+β++ve，Z(p，γ)R，R→T+β++ve，……
這個核合成過程中生成的核素都是一些缺中子核素。這種過程一直持續合成到碲(Te)-105 為止。Te-105 包含52 個質子和53 箇中子，是一個壽命很短且發生α衰變的原子核。在Te-105 附近還有許多具有α衰變的核素，它們組成了一堵厚厚的牆，阻止rp—過程繼續前進。
圖10 快質子吸收核合成過程的路徑
恆星演化的過程是漫長的，是幾十億年到上百億年的事情，而一個原子核反應卻是瞬間完成的(大約在億億分之一秒之內)。在漫長的過程中隨時隨地都可能發生核反應，並把產生的核素積累下來，形成了現在的宇宙。根據對地球物質或古老隕石的測定得知了太陽系中的元素丰度分佈，也稱為宇宙元素丰度分佈(圖11)。可以看出，氫和氦的丰度最高，鋰、鈹和硼的丰度顯著降低，而後，從碳元素開始，就從另一個高位逐漸降低。還可以看到鐵元素附近的元素丰度也很突出。這都是元素的穩定原子核，或者是具有特長壽命的原子核的丰度分佈。
圖11 太陽系中元素丰度分佈
無論如何，宇宙演化過程留下的原子核都是穩定的或是有非常長壽命的原子核，而且數目非常有限，這對研究原子核的性質變化規律遠遠不夠。為此，科學家就在實驗室開展了原子核的合成和研究。
02
實驗室中原子核的誕生
國際上第一位對原子核進行嬗變的人是盧瑟福，他雖然沒有合成新的核素，但是他透過核反應將一種核素變成了另一種核素。1919 年，盧瑟福利用來源於鐳原子核衰變放射出的α粒子轟擊純的氮氣，不僅發現了質子，還產生了氧，核反應式是
14N+ α → 17O + p
當然，17O 的鑑別還是布蘭克特在1925 年完成的。1932 年，查德威克利用9Be(α,n) 12C反應發現了中子。1934 年，義大利物理學家費米就開始利用中子轟擊從氫到鈾的一系列靶原子核，發現了許多新的核素(同位素)。同時，也發現中子在物質中穿行時會被慢化，慢化後的中子更容易在U原子核上引起反應。在利用中子轟擊92 號元素U時，他認為得到了元素序號為93 的新元素。基於上述成果，他於1938 年11 月10 日獲得了諾貝爾獎。幾乎同時，德國物理學家哈恩等用實驗證實，費米認為的93 元素，其實是U吸收中子發生裂變所生成的53 號元素鋇的一個同位素，並於同年11 月22 日將文章投到《自然》雜誌，次年1 月發表。費米聽到訊息後，很快重複實驗，證實了哈恩的結果。隨後，費米坦率地檢討了自己的錯誤判斷。並在裂變的基礎上，很快提出一種假說：當鈾核吸收中子發生裂變時，會放射出中子，這些中子又會擊中其他鈾核，使其發生裂變，這樣的反應過程一直繼續下去，直到全部原子被分裂。這就是著名的鏈式反應理論，為原子核裂變能的利用奠定了堅實基礎。
圖12 E. 盧瑟福(1871-1937)
近百年來，在實驗室中合成和研究的新核素已接近3200種。
2.1
合成新核素應具備的條件
天然存在的287 個核素，遠遠不能滿足人類探索原子核世界的需求。為了探知到底能有多少種核素，它們的性質如何，核物理學家千方百計地在實驗室合成和研究新的原子核。到目前為止，總共合成和研究了3200多個核素。
如何按照人們的意願在實驗室裡造出一個新的原子核呢？唯一的辦法就是利用高速的粒子(離子) 轟擊已有的原子核，使其發生核反應，從而產生新原子核。為此就需要三種工具：粒子(離子)束，靶原子核和原子核鑑別裝置。目前，國際上一些主要的核物理實驗室都有比較先進的核反應裝置。
2.2
合成新核素的幾種途徑
原則上各類核反應都可以用來生成新核素。不過，為了以最低成本儘快地獲得所要的目標核，就要選擇一種最好的途徑。
合成新核素，首先需要選準目標。在不同的時代，有不同的研究物件，但都是從簡到難，從離穩定線最近的核素開始，或者是從已有的核素開始，一步一步地向外擴充套件。
下面介紹幾種典型的生成新核素的方法，包括中子俘獲反應，複合核過程，重原子核裂變和炮彈核的碎裂。
俘獲中子合成新核素(同位素)
在1932 年，卡德威克發現中子後僅僅一年，美國芝加哥大學的幾位學者就利用這種新的粒子——中子轟擊氟(19F(n，α)16N)，並用一種稱作威爾遜雲室的探測器(圖13)觀測到了16N的飛行徑跡。儘管還不能確定16N是不是穩定的，但這是第一例利用中子俘獲製造新原子核的實驗。隨後，義大利物理學家費米利用中子轟擊從氫到鈾的一系列靶原子核，得到了許多新的原子核。
圖13 查爾斯·威爾遜發明的雲室(下)及雲室中的粒子徑跡(上)
隨著中子源的發展，透過中子俘獲反應生成的新原子核快速增加，例如，從1935 年到1945 年的10年間，利用加速器中子源就產生了80多個新核素。
核反應堆是一個很好的中子源，它可以提供非常高的中子流強度(通量)，能夠用來透過中子俘獲反應合成豐中子的新原子核。用來合成118 號元素的靶原子核249Cf(98 號元素的一個同位素)就是在核反應堆中經過不斷吸收中子獲得的。從1945 年到1966 年之間，在反應堆內透過中子吸收反應發現了大約30 個超鈾新核素，其中大部分新核素都是在化學分離後利用質量譜儀鑑別出來的。在二戰期間，美國為了製造原子彈的另一種高效炸藥—239Pu 期間，建造了反應堆，在反應堆上首先發現了超鈾新核素242Am。在20世紀80年代，美國科學家在利弗莫爾的池型反應堆中，透過中子的照射發現了255Cf 和256Es。前蘇聯科學家在他們的高中子通量反應堆SM-2上，透過輻照Pu和Cf靶材料，發現了247Pu和257Es。
核爆是一個中子通量極高的場所，在核爆中心，一秒內每平方釐米面積上有高達1020中子透過。因此，像在天體環境中的快速中子俘獲過程那樣，在此場所238U瞬時吸收多箇中子，在經過一系列的β-衰變後，形成許多超鈾元素的豐中子同位素。例如，在美國的Mike 氫彈試驗的場地就收集到從鈾到鐨(100號元素)的70多種新的新核素(見圖14)。
圖14 在核爆炸中合成的新核素(圖中紅色三角區)
重核裂變也是一種合成新核素的重要途徑
在重原子核參與的核反應中，包括粒子吸收和高能重離子碰撞，重原子核或者新產生的重原子核，都有可能發生裂變，裂變產物中就會有新核素。
中子誘發重核裂變可以說在重核裂變現象的確認中起到了關鍵作用。也是新核素生成的主要途徑(見圖15)。利用反應堆中子源和加速器中子源引起的裂變反應中先後發現200 多個新核素。其中，1971 年西歐核子中心在反應堆近旁成功建造了線上同位素分離器以後，就發現了大約70 個新核素，其中絕大部分都是短壽命新核素。
圖15 熱中子誘發235U裂變的碎片分佈(紅圈內部分)
20 世紀90 年代，發現高能重離子彈核轟擊靶核後會發生裂變，從此，短壽命新核素的合成獲得了突破。在短短的幾年中，透過高能重離子彈核的裂變就發現了將近230 個新核素。特別是發現了像74Fe、80Ni、82Cu、188Lu等一系列極豐中子的新核素，使核素圖豐中子一側的範圍得以大大擴充套件。
複合核反應
複合核反應通常是指重離子與靶核發生全熔合的過程。實際上，輕粒子與靶核熔合的反應也是一種複合核反應過程。1919 年，盧瑟福利用α粒子轟擊純的氮氣發現質子，以及1932 年查德威克用來發現中子的核反應，可以說是最早的複合核反應生成新核素的應用。隨著加速器提供的粒子種類和能量的增加，利用輕粒子束引起的複合核反應生成的新核素達到250 多個。為合成更重的新原子核，就需要加速器能夠提供更重的炮彈核，這也促進了重離子加速器的建造。自從20 世紀60 年代後半期重離子加速器的相繼建成，大大促進了複合核反應合成新核素的程序，特別是促進了超重元素的合成。在隨後的幾十年中透過複合核反應的途徑合成了近千種新的核素。
圖16 U400 是前蘇聯建造的一個等時性迴旋加速器，1978 年投入執行，可將質量數A＝4—209 的重粒子加速到29－3 MeV/u
複合核反應生成的新核素都是缺中子的。早期由於利用非對稱反應系統(彈核與靶核的質量差別很大)，而且生成的目標新核素距離β穩定線不是太遠，因此，生成機率較高。但是隨著生成的目標核逐漸遠離穩定線，生成機率越來越小。例如，透過複合核反應生成超重核的截面只有10-33—10-38巴量級，(1 巴=10-24 cm2, 1 pb=10-12巴)(見圖17)。因此，需要創新的技術方法，包括彈靶組合，目標核的收集和鑑別，加速器束流強度的提升等。例如，選擇48Ca+249Cf 反應系統用來合成118 號超重核素。超重核合成的工作流程如圖18。
圖17 超重核生成截面的變化
超重核合成的難度，不僅是需要在高通量反應堆中經過250 多天的多輪輻照和分離，才能得到幾十毫克的靶材料，將在天然鈣只有0.187%丰度的48Ca 富集到67%，並將其加速成為約3×1012/s 的束流，更難的是在幾天或幾十天內，將幾個目標核從幾億億個不同的原子核中準確地鑑別出來。半個多世紀以來，核物理學家不斷努力，推動了重離子加速器技術以及先進實驗探測手段的不斷創新，使得人工合成超重新元素和新核素的科學研究取得了長足的進步，已合成了從103 號到118 號的16 種新元素，包括它們的許多同位素。但是，還沒有到達理論預言的‘超重穩定島’。要登上穩定島，領略島上的奇異風光，仍需長期而艱鉅的努力。
圖19 展示了截至2017 年在超重元素區，實驗物理學家們合成的超重新核素。近幾年，核物理學家還在不斷地探索合成119 號元素和120 號元素的方法，但是目前還沒有成功。
圖19 超重核素的合成現狀
中國科學家在超重核研究領域也做出了一定的貢獻。早期利用氦氣噴嘴的方式合成了兩種105號和107 號超重新核素259Db 和265Bh。隨著國家科技實力的不斷提升，最近也自主研製了充氣反衝核分離器SHANS1 和改進的SHANS2，並用之進行了一系列有關重核和超重核衰變性質的實驗研究工作。利用蘭州重離子加速器提供的重離子束流，科研人員在該裝置上取得了一批重要的實驗結果：首次合成了205Ac、214,216U、219,220,223,224Np等新核素，並驗證性地合成了110 號超重元素217Ds。目前正在探索更重原子核的合成途徑。
圖20 中科院近代物理所充氣反衝核譜儀裝置——SHANS2
2.3
新元素命名
經過近一個世紀的不懈努力，人工合成的新元素已經達到第118 號，填滿了週期表中第七週期的所有元素。國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)和國際純粹與應用物理聯合會(IUPAP)對人工合成的15 種超重新元素進行了命名，從104 號到118 號元素的英文名字縮寫分別為:Rf, Db, Sg, Bh, Hs, Mt,Ds, Rg, Cn, Nh, Fl, Mc, Lv, Ts, Og。對應的中文為：
炮彈核的碎裂
首先，既然是碎裂，其碎裂的產物的質量數A就一定比原來的彈核小；再者，碎裂後的產物各種各樣，有輕有重，有非常缺中子的，也有非常豐中子的。如果彈核和靶核都是豐中子的，彈核碎裂後，產生豐中子產物核的機率就大些，反之也一樣；三是，每次碰撞後碎裂產物的多少與炮彈核的速度有關，還與彈核與靶核的中心對準程度也有關係。
自從20 世紀80 年代透過高能重離子碰撞產生所謂的中子暈核，例如11Li(包含3 個質子8 箇中子，有兩個中子分佈在距離核芯7Li 很遠的範圍內)發現以來，利用彈核碎裂反應生成了許許多多的新核素，特別是質子滴線附近的核素和極豐中子核素，從而進一步擴大了核素圖的版圖。例如德國的重離子物理實驗室利用每個核子1000 兆電子伏的238U與Ti 原子核碰撞，一個實驗下來就可觀察到幾百種核素(見圖21)。1990 年以後觀測到的所有核素中，除了超鈾區的以外，絕大部分都是透過炮彈核碎裂反應生成的。特別是在原子核序數小於20的區域，合成的新核素都達到了中子滴線，例如觀察到了7H，21B，31F，39Na，43Al，47P，和59K。
圖21 高能238U彈核碎裂產生的部分核素
由於炮彈核的碎裂可以產生大量的遠離穩定線的核素，包括了極缺中子和極豐中子的核素，因此，這種反應方式也用來產生放射性束流——用彈核碎裂的產物當作新的炮彈，去轟擊靶原子核，以研究那些極豐中子或者極缺中子原子核的性質，將來也可能用來合成新的超重原子核。國際上幾個著名的核物理實驗室都建造了放射性束流裝置，如法國的GANIL，美國的MSU，西歐核子中心，日本的RIKEN，中國科學院近代物理研究所等。我國正在建設的強流重離子加速器也可以提供非常強的高能重離子束流，用它轟擊不同的靶核所獲得的放射性離子的產額非常高，有可能用來合成新的超重元素。
圖22 我國正在建設的強流重離子加速器預期產生的放射性離子強度分佈圖
近百年來，實驗室合成的新核素有3000 多種，大大擴充套件了核素圖的版圖，也使人們對原子核的認知不斷地深入。
圖23 不同年代實驗室合成的新核素
總之，實驗室中生成新核素的途徑有多種，但是歸根結底，都是透過原子核之間的較為強烈的碰撞，即核反應而產生的。在實驗室中，為了使原子核之間發生反應，就必須使一個原子核或兩個原子核都具有較高的速度，然後使其與其他原子核碰撞。為了使原子核具有一定的速度，就必須建造離子(粒子)加速器。同時，還需要有探測原子核(離子)的工具——核探測器。
本文選自《現代物理知識》2023年第4期 YWA編輯
來源：現代物理知識雜誌
編輯：K.Collider
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不代表中科院物理所立場
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