作者:叶满山 李朋杰 来源:中国科学报 发布时间:2023/11/28 15:37:30
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原子核基态存在分子型结构,证实!

 

各种各样的原子,通过排列和组合形成分子结构,进而塑造了万千世界。可你是否曾经想过,直径只有原子万分之一的原子核内部,竟然也会存在类似分子的结构?

虽然原子核非常微小,但它的质量却占比原子质量的99.9%以上。长期以来,人们将原子核描绘为一个均匀、致密的球体,内部貌似没有复杂结构,就像一个球状液滴。

然而,随着对原子核的研究不断深入,科学家们逐渐发现了其内部的复杂性。一项最新的研究证实:在原子核的基态中,的确存在分子型结构。

在一项11月21日发表于《物理评论快报》的研究中,科学家们通过新颖的实验方法,首次发现在原子核基态中存在分子型结构,提供了迄今为止原子核基态中“集团化”的最清晰证据。这项研究作为亮点工作被美国物理学会的Physics杂志在线报道。

质子和中子均匀分布的球形核。近代物理研究所供图。

 原子核内形成集团结构。近代物理研究所供图。

近百年前的猜想

原子核是由质子和中子等核子组成的量子多体系统。核子间的相互作用形成了多种有趣的原子核结构,从球形核到变形核,甚至是表面密度稀疏的中子晕核。在这些结构中,质子和中子聚集形成原子核内部的亚结构(被科学家称为“集团”或“团簇”),是一个引人入胜的现象。

渺小的原子核会处于许多不同的状态。其中能量最低的被称为“基态”,其它的被称为“激发态”。科学家们认为这种集团结构主要出现在激发态中,尤其是在α共轭核(其质子和中子数量均为偶数且相等)中存在。α粒子由两个质子和两个中子组成,不仅具有较高的结合能,而且极其“懒惰”,使得α集团在核内形成具有能量优势。

科学家们已经通过实验,在一些特殊原子核的激发态中发现了不少集团结构的存在。那么,在原子核的基态中是否也存在类似的结构呢?

早在1938年,理论物理学家Hafstad和Teller通过分析α共轭核的结合能,发现α-α之间相互作用的能量近似常数,因此推测铍-8、碳-12、氧-16等原子核的基态中可能存在α分子型的集团结构。但后来由于经典壳模型的单粒子描述变得流行,这一理论假设一直未能被证实。

  丰中子核铍-10基态集团结构敲出反应示意图。近代物理研究所供图。

一项新颖的实验

这项研究工作由中国科学院近代物理研究所联合香港大学、法国巴黎-萨克雷大学、日本理化学研究所、日本大阪大学、南京航空航天大学等国内外27家科研单位合作完成。

实验在日本理化学研究所放射性核束工厂(RIBF)上完成。研究团队通过逆运动学下的敲出反应,研究了铍-10的α集团结构。实验中,0.5倍光速的铍-10次级束流轰击2毫米厚的固态氢靶,束缚在铍-10核中的α集团由质子敲出,几乎不转移任何动量给反应余核, 使其保持了铍-10基态中的集团结构信息。

实验结果表明,敲出反应的实验截面与微观模型下的理论预测非常吻合,从而验证了长期以来对铍-10基态的分子态结构假设。

铍-10原子核基态的分子型结构。近代物理研究所供图。

铍-10基态的物理图像类似于双原子分子,其中两个α粒子起到原子的作用,而两个中子则像成对电子一样轨道运动,形成了共价键。类似的结构可以在原子尺度上找到,但在原子核基态中非常罕见。

这个发现不仅打破了对原子核的传统认识,也为人们对微观世界的理解带来了全新的视角。通过观察这种微小的“分子”结构,科学家们可以更深入地了解核物质内部的奥秘,重新审视原子核内部的构造和力量。

 对于原子核这一微观领域的探索,这一发现可能只是冰山一角。它鼓舞着科学家们继续深入研究,探寻核内更多微小结构的存在。

相关论文信息:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.212501

 
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