宇宙浩瀚無窮，但幾乎所有的物質都由原子構成的。不過，這不是物質的最底層，原子還可以繼續分解為電子和原子核，其中原子核的質量則占到了原子質量的99.9%以上，但是它的體積只有原子的千萬億分之一！宇宙于物質的秘密似乎被囚禁在一顆小小的核內。

那我們有沒有辦法打破原子核，釋放宇宙的秘密呢？

有的！

就在廣東省惠州市，中國科學院近代物理研究所建設了一臺專門用于原子核研究的加速器——強流重離子加速裝置（HIAF）。

強流重離子加速裝置園區，位于廣東省惠州市

（中國科學院近代物理研究所）

與我們熟知的北京正負電子對撞機不同，強流重離子加速裝置加速的是重離子。離子就是被剝離一個或多個電子之后的原子，而重離子則對應氦元素之后的元素。整個加速器裝置總長約1.7千米，埋在地下13米，它有一個離子源用于產生最初的離子，一個超導直線加速器對離子進行預加速，一個增強器（BRing）繼續提高離子的能量。

獲得足夠能量的重離子再根據需要被送入到不同的研究終端去做各種各樣的實驗。這里有評價先進核能材料抗輻照性能的強流離子束輻照終端，有可以合成新元素和新核素的充氣反沖譜儀終端，還有高能核物理研究的高能綜合研究平臺，包括用于研究核物質相結構、QCD相變與臨界點的核物質相結構終端，用于研究超核性質、擴展超核存在版圖的超核終端等等，以及還有能夠精確測量原子核質量和壽命的高精度環形譜儀等等。

終端種類豐富，各式研究任您挑選。

強流重離子加速裝置的組成部分和實驗終端

（中國科學院近代物理研究所）

在強流重離子加速器裝置上的研究，大概可以分為“頂天”和“立地”兩類，下面舉例介紹一下。

頂天——原子核中的宇宙秘密

原子核是一個非常復雜的多體系統，除了只有一個質子的氫原子核外，其它所有原子核都是由質子和中子組成的。質子、中子之間存在強核力，把它們“粘起來”；而帶正電荷的質子之間也存在電磁排斥力“從中作梗”。如果質子太多，質子之間的電磁排斥力太強，原子核就不穩定，因此，也就需要加入一些中子，充當“和事佬”，把質子隔離開，才能穩定原子核。

不過，因為泡利不相容原理，如果中子過多，就會有很多中子處于比較高的能量狀態，這樣也會造成原子核的不穩定。所以，只有質子和中子大概在1:1的比例上（對于比較重的原子核，中子會比質子多一些），原子核才能穩定。否則，平衡被打破，原子核就開始“散架”，也就是發生放射性衰變。

對于質子和中子都比較多的超重元素通常是不穩定的，容易通過放射性衰變迅速分解。不過，科學家認為，如果原子核中質子數和中子數達到某些特定組合時，即使這些原子核的質量非常大，也有較高的穩定性。這就是超重核穩定島。然而目前為止，尚未發現真正穩定的超重核。

穩定島三維示意圖。中子數N和質子數Z不同的原子核，穩定性也不同。科學家預測，在質量很大的原子核區域，或許存在一個穩定的區間。

（維基百科“穩定島”詞條）

而對于原子核穩定性的研究，在強流重離子加速器裝置上有多個終端，比如低能綜合終端中的充氣反沖譜儀，通過重離子打靶，合成新的元素，以此探究原子核的存在極限。值得一提的是，“點石成金”并非天方夜譚，而是實打實地被發現了，所謂的點石成金，從核科學的角度來說，就是一種原子核變成另外一種原子核，這正是重離子打靶實驗內發生的過程。只不過，產生的金原子核數量過少，只有幾千、幾萬個，用這樣巨大的機器生產金子，得賠掉褲子！

自然界中存在的最重的元素是第92號元素鈾238，在這之后的元素，從93號到118號，都是在實驗室內人工合成的，然而，這其中尚沒有原子核是中國合成的。那我們能否率先合成119、120號元素，將五星紅旗插上元素周期表？原子核是否存在穩定極限？

或許這里將給出答案。

精確測量原子核質量

作為原子核的基本屬性之一，原子核的質量，在強流重離子加速裝置中也會進行精確測量，使用的是高精度環形譜儀（SRing），它的外觀就是一臺環形的加速器，通過測量原子核在環中的轉速，就能推算出其質量。質量不僅影響原子的性質，甚至還決定了恒星的生死、元素的起源，乃至我們自身的構成。

能夠精確測量原子核質量的高精度環形譜儀SRing

（中國科學院近代物理研究所）

實際上，在宇宙誕生之初，宇宙中主要都是氫元素，以及少量的氦元素，而從鋰、鈹、硼到鐵，再到金、鈾，都是在宇宙漫長的演化過程中逐漸合成的。天體中的核反應多種多樣，原子核質量決定了核反應的反應路徑，反應路徑上每一個原子核的質量，都像一個岔路口，決定了下一步反應的流向和速度：原子核的質量決定了大質量恒星核心坍縮的進程，以及最終會形成中子星還是黑洞；同時，在爆發過程中會有大量的物質被爆炸拋出到宇宙中，這中間就會發生著名的“快中子俘獲”過程，幾分鐘內，形成從鐵到鈾的重元素，而原子核會影響對中子的俘獲。只有知道了每一種原子核的精確性質，我們才能重現宇宙原子核產生的過程，解釋為什么宇宙中各種元素的含量是我們觀測到的比例。

蟹狀星云。這是一顆超新星爆發后的遺跡。

（維基百科）

立地——服務于國計民生

被加速到接近光速的原子核，不僅能用來解釋原子核與宇宙的秘密，也能作為一種“工具”，為各種應用研究提供服務。

重離子治療癌癥

很多人一聽到“輻射”二字，就會下意識地覺得很危險，認為輻射對人體有害。高能的輻射會殺死正常細胞，如果換個角度，那是不是可以這種高能輻射殺死癌細胞呢？這就是重離子治療癌癥的原理。

用重離子加速器把諸如碳原子核這樣的重離子加速到光速的70%，對準癌細胞“射擊”，會把癌細胞內的DNA打斷，癌細胞難以修復，就會逐漸凋零了。而有意思的是，高能重離子初期穿過人體組織的時候，幾乎不發生相互作用，只有在抵達癌細胞深度時，才會通過“布拉格峰效應”集中釋放能量，百分之七八十的能量最后都損失在它的射程末端。這就實現了對癌細胞的定點爆破。

醫用重離子加速器的核心系統同步加速器

（中國科學院近代物理研究所）

目前，國內已經有多家醫學安裝了重離子治療設備，比如甘肅省的武威重離子醫院、浙江省腫瘤醫院等等，截至2025年3月，全國獲批開展重離子治療的醫院達到12家，武威重離子中心開診5年來，武威重累計完成了2000多名患者治療（《人民日報海外版》2025年09月01日第09版）。

模擬輻射環境

雖然我們日常生活中幾乎沒有什么高能輻射，因為有厚厚的大氣層保護。但在高空中，高能輻射數量會大大增加，它們主要是來自宇宙的高能粒子。所以，像飛機、衛星、空間站、導彈等飛到高空甚至是飛出大氣層的設備，就不得不考慮被宇宙中的高能粒子擊中的可能性。

設備中的芯片被高能粒子擊中后，發生單粒子效應，會在芯片中產生一個脈沖電流，這就可能到導致本來是“0”的信號，變成“1”了，進而產生了錯誤，甚至有可能導致衛星等失去控制。

那芯片在宇宙空間中被高能粒子擊中后具體發生了什么，有沒有什么有效的辦法能屏蔽輻射、修正由此帶來的錯誤呢？那我們就需要做實驗。顯然，我們不可能跑到太空中做這個實驗，于是，在地面上用強流重離子加速器模擬宇宙空間中的輻射環境，就顯得至關重要了。

中國天宮空間站

（中國天宮空間站）

原子核加速，啟動！

2025年10月28日，強流重離子加速器裝置調試成功，自此實現束流全線貫通。全面建成后，強流重離子加速器裝置將為探索原子核存在極限、揭示核天體物理過程、推動核能開發和多學科應用提供國際領先的研究平臺。人類將能夠更深入地探索宇宙的起源和演化，回答“我從哪里來，要到哪里去”的終極問題。

（中國科學院近代物理研究所）