Suche
Mein Konto
破碎的原子核：揭示它们神秘的形状
物理学家正在利用高能碰撞来研究原子核的形状，这可能会彻底改变对化学过程的理解。
破碎的原子核：揭示它们神秘的形状
物理学家发现了一种研究原子核形状的新方法——通过在高能碰撞中摧毁它们。这种方法可以帮助科学家更好地了解原子核的形状，例如，原子核的形状会影响恒星中元素的形成速率，并有助于确定哪些材料最适合作为核燃料。
“原子核的形状几乎影响着原子核和核过程的所有方面，”北京大学核物理学家孟杰说。孟说，这种新的成像方法于 11 月 6 日发表在《自然》杂志上，代表着“一项重要且令人兴奋的进步”。
纽约厄普顿布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机 (RHIC) 的一个团队以极高的能量对两束铀 238 以及后来的两束金进行了碰撞。纽约石溪大学的物理学家、论文合著者贾江勇说，它们的碰撞“非常剧烈，以至于我们基本上把原子核融化成了汤”。
碰撞产生的热等离子体在压力下非常迅速地膨胀，这与原子核的初始形状有关。贾解释说，使用 RHIC 或 STAR 的螺线管跟踪器探测器检测两种类型的碰撞产生的数千个粒子的动量，并将结果与模型进行匹配，团队能够“倒转时钟以推断原子核的形状”。
隐藏人物
原子核由质子和中子组成，它们像电子一样占据能级。一般来说，粒子呈现出使系统能量最小化的形状。与水滴类似，核心可以呈现各种形状，包括梨形、美式足球形或花生壳形。贾说，原子核的形状“从理论上很难预测”。她也可以 随着时间的推移，由于量子涨落 各不相同。
之前探索形状的实验涉及将低能离子偏转远离原子核。这种方法 - 称为库仑激发 - 激发原子核，当它们回到基态时发出的辐射揭示了它们形状的各个方面。由于时间尺度比较长，这种成像只能显示长期图像，显示所有形状波动的平均值。
相比之下，高能碰撞方法提供了碰撞过程中原子核的瞬时图像。贾说，这是一种更直接的方法，更适合研究奇异的形状。
该技术证实黄金具有接近球形的形状，并且从一张图像到下一张图像都是一致的。相比之下，当原子核以不同方向碰撞时，快照中的铀形状发生了变化。这使得研究人员能够计算铀核在三个维度上的相对长度，表明铀不仅在一维上被拉伸，而且还被稍微压缩，类似于泄气的美式足球。
巴黎附近的法国替代能源和原子能机构的核物理学家 Magdalena Zielińska 表示，“令人着迷的是它起作用了”，而且其他核过程不会影响粒子的发射并掩盖变形。
硬的还是软的？
Zielińska 说，这种类型的成像可以帮助解决区分“刚性”原子核和“软”原子核的挑战性任务，“刚性”原子核意味着它们具有明确的形状，而“软”原子核则具有波动性。
贾说，他的团队还想用这种方法来研究氧和氖等轻离子之间的差异。氧原子核接近球形，而氖原子核（携带另外两个质子和两个中子）被认为是弯曲的。贾说，比较它们的形状将使研究人员能够了解质子和中子如何在原子核中形成簇。
有关形状的信息还可以揭示原子核是否可能相互作用或进行核裂变反应，并且可以增加称为“核裂变反应”的过程的可能性。 无中微子双 β衰变 发现什么可能有助于解决物理学中一些长期存在的谜团。贾说，大约 99.9% 的可见物质都位于原子的中心。 “了解核构建模块实际上是了解我们是谁的核心。”
-
STAR 合作性质 https://doi.org/10.1038/s41586-024-08097-2 (2024)。