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马春旺:我国核物理学迎来新篇章
发表时间 2017-10-25 15:06 来源 本站原创

  近些年,中国核工业取得了显著发展,关于对“核”的研究也处在世界前沿。在国内,“核”的应用已触及到多个领域,成果硕硕,但来之不易,这是几代人为之奋斗的结果。他们或身处一线,潜心搞科研,或深扎校园,为国家培养下一代人才,他们在世人眼中也许并不能被铭记,但他们为我国“核”领域的发展做出了不可磨灭的贡献。

  马春旺,涉足核物理领域10年有余。截至目前,他主持了国家自然科学基金项目2项,受到河南省科技创新人才计划(杰出青年)( 2015~2017)、河南省高校科技创新人才计划(2013~2015)和河南师范大学优秀青年人才培养对象(2015~2017)等项目资助;先后在P h y s.L e t t. B、Phys. Rev. C和J. Phys. G等国内外重要SCI学术刊物上发表论文40多篇。

  现如今,马春旺在母校任职河南师范大学物理与材料科学学院的校特聘教授、硕士生导师,把更多精力放在了教人育人方面,寄希望为国家培养更多优秀的“核”物理学精英。

  谈“核”

  在国际社会关系中,可谓是谈 “核”色变。作为一名核物理领域的专业科研人员,马春旺说:“核包括的方面很多,军事应用是极端情况,除此之外,还有很多基础研究和民用应用技术研究”。

  不可否认,核技术是一项先进技术。在能源领域,通过选用新堆型,提高安全性和降低建设造价,核能发电的贡献不断增大,对缓解能源危机产生重大意义;在医学上,把放射性同位素与其标记化合物引入人体内,通过仪器观察放射性在人体内的分布情况和动态变化,来诊断脏器是否有病变并确定病变位置;目前国内在利用高能量质子束和重离子(质量大于α粒子的离子)束进行癌症治疗方面正如火如荼;在农业中,灭虫杀菌、食品保鲜和水利工程等方面,核技术都做出了重要贡献。

  2003年,马春旺就读中国科学院上海应用物理研究所粒子物理与原子核物理专业,从事重离子核反应物理的相关研究。重离子核反应物理是原子核物理学的一个分支学科,是利用加速到各种不同能量的重离子轰击原子核,从而研究核结构和运动变化规律。这是近20多年来原子核物理学的一个活跃的前沿领域。

  重离子核反应物理分理论和实验两个方面。研究生期间,马春旺更偏重实验,寻找当时风靡核物理界的“丰中子晕核”。1985年,有科学家利用放射性核束装置从实验上发现了具有巨晕的丰中子核11Li,这引起了人们的强烈兴趣,吸引了许多实验和理论家相继投入精力来研究这个方向。

  “我们和国际的差距还是有的,但正在形成自己的优势”,马春旺说到。核物理实验需要依靠装置,而且是大型装置,比如我国的兰州重离子加速器国家实验室,成立于1991年。随着科技发展日新月异,国际已在推行第三代放射性核装置。2006年,日本造价440 亿日元建成世界最强重离子加速器的核心——超导磁铁环形加速器,可将铀离子加速到光速的70%;还有美国密立根州立大学的稀有核束工厂(M S UF R I B)、日本理化研究所的稀有核束分离器(RIKEN-RIBF)、德国的放射性核束工厂(G S I-FA I R)和法国的放射性核素工厂(GANIL-SPIRAL2)等;而我国也正在建造新一代“强流重离子加速器(HIAF)”和拟建设北京同位素在线分离核束工厂 (BISOL)。“只有每台装置不重复,才能做出有特色的成果”,这也是影响各国核物理研究发展的因素所在。

  新方法突破旧难题

  如今,马春旺转向重离子核反应物理理论研究,在丰中子核素的性质(结构)理论和实验测量、核技术的环境应用方面开展研究。重离子核反应是用炮弹轰击靶原子核,“就像两辆汽车迎面相撞,必定造成一定甚至严重的损坏”。在碰撞过程中原子核会被压缩,继而产生很高的温度,密度也随之变大。如此一块高温、高密度的物质体积并不稳定,它们发生膨胀而渐渐冷却,过程中便会产生很多新物质。马春旺的工作就是研究这些新物质。在没有放射性核装置时,原子核受到撞击产生的奇特物质是难以看到的,随着装置的研发成功,为研究提供了条件,研究人员可以探究反应产物中有何物质。

  “对于丰中子核来说,中子的密度分布与稳定原子核是不同的”,如果一直向稳定的原子核中添加中子,原子核会一直变大,也会逐渐不稳定。但添加中子的数目有一个极限,在核素图上把各个元素的极限丰中子核素相连,会在β稳定线下方得到中子滴线;相反,位于β稳定线上侧的是质子滴线。丰中子核的边缘存在很大的中子弥散分布,总体看起来丰中子核就像穿了一件中子皮。这层皮到底有多厚?目前在实验上还很难探测到,这也是多少年来困扰原子物理界的一个难题。于是,马春旺根据重离子核反应过程提出了一些关于中子皮厚度测量的观测方法。据悉,此项工作已经进行了很长时间,而他并没有因为这是场拉锯战而减少兴趣和激情。目前受到国家自然科学基金-大科学装置联合基金资助,即将在国家重离子实验室HIRFL-RIBLL1线站开展实验研究。

  除了测量中子皮厚度,观察丰中子核里中子密度的分布变化也是马春旺的研究内容之一。在这个过程中,他把一个新的分析方法引入到重离子核反应分析中,即信息熵。信息熵是研究信息流的一种方法,可以将其理解成某种特定信息的出现概率。一个系统越是有序,信息熵就越低;反之,系统越是混乱,信息熵就越高。信息熵也可以说是系统有序化程度的一个度量。“我们用这种方法研究重离子核反应里面的现象,同时可以研究密度分布和在系统中变化的情况”。2015 年,马春旺通过进一步研究发现, “在重离子核反应所产生的产物中,中子丰度不同的原子核的信息熵存在一致的规律。信息熵的规律性也反映了系统的规律性。”由于该工作的重要性,马春旺受邀为综述期刊Progress in Particel and Nuclear Physics以《信息熵与重离子核反应》为题撰写综述文章。

  为研究重离子核反应性质提供新方法,并且通过实验验证其可行性——马春旺的研究目标就在于此。而实际上,在重离子核反应研究中,实验的观测方法常常弱于实验技术的发展。实验通常能够提供丰富的数据,但实验做完,科研者很难解释清其背后某些的规律,“我们知道某个方面是个难题,但是没有办法研究它”。因此,马春旺希望能提出一些新的观测、研究方法,用以研究比如中子密度分布、中子皮厚度和核反应温度等固有难题。

  兴趣是最好的老师

  做科研不是三天打鱼两天晒网,需要持续不断地投入,而兴趣是提供这一动力的来源。在马春旺看来,兴趣可以通过后天逐渐培养,“刚开始,我对所研究的领域并不了解,之后越做发现越感兴趣”。有了兴趣,还要能够“坐得住”,也就是能深入钻研并探索未知的奥秘。这两点是马春旺认为做科研的必备素质,二者缺一不可。

  如今身为老师的马春旺,肩负起培养学生的重担。他过往的经验同样适用于学生,“要想把研究做好,最重要的还是兴趣,所以我侧重在培养学生的兴趣”。学生一开始对这个行业或多或少是陌生的,因此要想建立起他们的兴趣需要采取一些方法。在布置课题时,马春旺不会把一个非常难的课题直接给学生就放手不管,相反他会先布置一个相对容易的课题,让他们先入门,之后再循序渐进地加大难度。“首先我心中要有一个规划,如何一步一步把他们引导到最终的目标上”,马春旺可谓用心良苦,“这样他们遇到的困难就会小一 些,建立起兴趣也会容易些”。学生一旦激发起兴趣,并拥有一定基础,马春旺便会鼓励他们独立地思考,反思过程中遇到的问题,“这是能力培养的一个过程,发现问题的能力、解决问题的能力”。

  近几年来,他指导过的研究生和本科生毕业时在重要S C I学术刊物上发表过文章,不少学生获得国家奖学金。这些成绩或许是对马春旺教学的最大肯定和褒奖。他深有感慨,“过去近十年的时间我们一直在坐冷板凳,但是我们并没有放弃,仍是很有兴趣地在研究”。未来,对于核物理来说将是个崭新的时代,“我们在等待这个新时代开始,我们期望装置运行之后能发挥自己的作用,把提出的观测方法做实验验证。对于我这样一个过去做实验现在做理论的人来说,可以重新走回实验的路上,在实验中做出自己的贡献,这对我来说非常重要。”

  俯首甘为孺子牛

  同国内热门研究院所相比,马春旺所在河南师范大学的核物理研究稍显冷清。但这并没有让马春旺消极和气馁。不为功成名就,只求心之所向,这是他的心声。马春旺希望把毕生精力放在核物理学推广和研究上,用行动报效国家。

  马春旺知道,一个人无论再激情高涨,也不如众人拾柴火焰高,对一个领域的发展作用巨大,因此,他期待有更多的有志之士加入这个大团队,共同做有兴趣的研究,为国家核科学事业增砖添瓦。

  不求裴声中外,但求人生无悔,是马春旺的心声。

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