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为精确计算原子核的结构开辟新道路!

时间:2019-12-11 16:32

新研究为精确计算原子核的结构开辟了道路,在一项结合实验研究和超级计算机理论计算的研究中,科学家们确定了硼两种同位素的核几何形状。这一结果将为科学家们精确计算其他原子核的结构开辟一条道路,科学家们可以通过实验验证这些结构。美国能源部阿贡国家实验室研究人员与德国和波兰的科学家合作,测定了硼-10和硼-11之间核电荷半径的差异。

​ ​对物质寻根究底是宇宙学家一直在做的一件事。他们一直想知道,创生大爆炸后出现的物质究竟是什么形态。科学界迄今还不能制造如此高的能量,以创造最初的物质。一些科学家开始放慢脚步,去追踪已知基本粒子的底细。

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​ ​我们现在知道,基本粒子有很多种。本文要说的,是组成物质(指化学元素,如氢、氮……)的基本粒子。这也是古代哲学家的话题,可以追溯到很久以前。约公元前4 50年,古希腊哲学家德谋克利特说,世界上的一切物质皆由一些极微小的基本粒子组成,他称此为原子,而原子就不能再分下去了。

这个超导回旋加速器在日本和光市理化研究所的放射性同位素束装置中产生了奇异的核子束。图片来源:RIKEN

核电荷半径表示原子核的大小,原子核的边缘通常比较模糊。由于中子和质子的数量众多,其性质和相互作用必须从量子力学中推导出来,因此对于比硼大得多的原子,核电荷半径很难精确计算。核理论建立在量子色动力学的基础上,量子色动力学是一套物理规则,适用于构成原子核内质子和中子的夸克和胶子。但是,由于量子色动力学的复杂性,仅用量子色动力学来解决核动力问题几乎是不可能的,研究人员必须依赖于至少一些简化的假设。

​ ​近代物理学也把原子作为物质的最小单位,并认为它由原子核和电子构成。20世纪30年代。人们了解到原子核内还年代,人们了解到原子核内还含着质子和中子。彼时,人们把这些粒子称为基本粒子。20世纪60年代,科学家在一系列实验中感到质子可能有内部结构。在高能电子的轰击下,质子内部的电荷具有一定的分布图,其半径在0.7×10-13厘米的线度上。1964年,盖尔曼和茨威克正式从理论上计算出这种深层次物质的存在,将其取名为夸克,它带有分数电荷。

日本物理学家已制造出有史以来最重的钙原子核——含有20个质子以及40个中子。其中的中子是最常见钙的两倍多,比此前的记录多了两三个。这一发现表明,在原子核中可包含的中子或许比以前认为的更多,这或将对中子星理论产生影响。

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“这的确是一个重要而有趣的发现。”美国俄亥俄大学理论核物理学家Daniel Phillips说。物理学家的核结构模型趋向于更普通的原子核,即其质子和中子的数量大致相等。随着他们推断这些原子核拥有更加不平衡的质子和中子比例,科学家想要知道这些理论可能存在多大的错误。

由于硼相对较轻(只有5个质子和少量中子)研究小组成功地在Mira超级计算机上模拟了这两种硼同位素。并用激光光谱法对它们进行了实验研究。Mira是Argonne Leadership Computing Facility 的一部分,ALCF是美国能源部科学用户设施办公室。参与领导这项研究的阿尔贡核物理学家彼得·穆勒(Peter Mueller)说:这是最复杂的原子核之一,可以通过实验得到这些精确的测量值,并从理论上推导出来,观察硼-11 和硼-10 的核构型是如何不同。

原子核由核的强作用力所维系的质子和中子组成。质子的数量决定了一个原子的化学元素特性;而中子的数量则决定了该元素的同位素。教科书中经常把原子核描绘成像胶体一样黏在一起的许多质子和中子,但真正的原子核要复杂得多。虽然它是由离散的粒子组成的,但通常原子核更像是带有表面张力的液滴。同时,原子核拥有抽象的量子能壳层,当它们有足够数量的质子或中子填满壳层时,其黏附力会更大,正如在更大规模上,当原子填满电子壳时,其惰性会更强。此外,质子和中子可以两个一对或三个一组,且转瞬即逝,从而改变原子核的特征和稳定性。

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之后,理论界确认,夸克共有6种,它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、9夸克、底夸克和顶夸克。参与物质组成的主要是上夸克和下夸克。

理论物理学家使用不同模型来解释这些相互竞争的行为。对于相对较轻的原子核,初始化模型可处理单个质子和中子的相互作用。但该类模型对分析较重的原子核来说则存在困难,所以理论物理学家采用了基于“密度泛函数”的更多近似模型,将质子和中子的分布作为连续变量。但数十个该类模型可能在基本问题上存在分歧,比如有多少中子会附着在原子核上,物理学家通常会在网格状图上将这一极限可视化。图中会显示垂直轴上的质子数和水平轴上的中子数,已知和预测的原子核会形成一个“十”字形的条带,其下边界标志着“中子滴线”:一个原子核可容纳的最大中子数。一直以来,物理学家尚不知道这一滴线的确切位置在哪里。

硼原子的示意图,图片:Ellen Weiss/Argonne National Laboratory

​ ​地球上有100多种元素,最简单的是氢,氢在大爆炸后不久就生成了,而较重的元素是在恒星核燃烧和超新星爆发时出现的。氢的结构最简单,原子中心是一个原子核,核内有一个质子,围着核有一个电子。而其他元素的原子核内皆有质子和中子,前者呈电正性。后者为电中性,两者统称为核子。

现在,来自日本和光市理化研究所和美国密歇根州立大学的一个30人团队已经制作出一批新的“富含中微子”的原子核,他们在近日发表于《物理评论快报》的报告中称,研究表明该滴线超过了许多理论预测。密歇根州立大学实验者Alexandra Gade说,该团队之所以用钙原子进行探测,是因为该原子大量的质子赋予它更强大的结合。

这涉及到在非常小的长度尺度上进行测定:小于飞兆分之一米。在一个与直觉相反的发现中。研究人员确定硼-11中的11个核子实际上比硼-10中的10个核子占据更小体积。为了对硼同位素进行实验研究,达姆施塔特大学的科学家们对同位素样品进行了激光光谱分析,这些样品在不同的频率下发出荧光。阿贡物理学家罗伯特·维林加解释说:虽然荧光模式的差异主要是由于同位素之间的质量差异造成,但测量中有一个成分反映了原子核的大小。

​ ​现在,一些科学家对核子抱有很大希望。他们说,抓住它的复杂性,我们就能解释物质宇宙是如何存在和运行的,进而进入高难度技术领域,诸如新型激光和储能材料研究等领域。

研究人员利用RIKEN的放射性同位素光束设施,通过将一束重锌原子核发射到铍靶标,将其分解。然后,他们使用一种非常精确的磁力分离器,对残骸中的大量原子核进行分类。研究小组共制造出8个新的富含中子的原子核,包括钙-59和钙-60,它们分别含有39和40个中子。为了产生两个钙-60,研究人员向靶标发射了数以千万亿次计的锌原子核。

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​ ​原子核是原子中最厚实的部分,质子和中子除了电性的不同外,在质量上也略有区别,前者为938.3兆电子伏特,后者略大,为939.6兆电子伏特。二者的质最相差甚小,仅0.14%,而正是这微小的差异,使得宇宙百态繁复。质子配上了电子,形成电中性、带结构的原子,没有让世界变成一个无特性的中子半流体。

新结果似乎打乱了初始化模型,该模型通常预测不应该存在钙-60。Gade说,事实上,这些数据表明用更多的中子制造钙原子核是可能的。在研究人员对35个模型进行比较后,最适合所有新数据的两个模型都预测,钙同位素存在钙-70,它将拥有多达50个中子。

为了分离这些成分,华沙大学和波兹南亚当·米奇维茨大学合作者进行了最先进的原子理论计算,精确地描述了硼原子原子核周围五个电子的复杂运动。早期电子散射实验并不能确定哪个更大,通过使用激光光谱学技术,可以确定额外的中子是如何更紧密地结合硼-11。实验和理论对原子核尺寸的良好一致性使研究人员能够更有把握地确定同位素的其他性质,例如它的衰变率。进行计算和实验的能力可以同时验证和加强其发现。

​ ​粒子物理学家斯克雷奇达说:“若质子重于中子,那么整个宇宙将变得大不一样。质子是稳定的,故原子和我们是稳定的。”而这跟它的质量有关。目前我们认为,质子的半衰期至少是10^32年,而宇宙迄今的年龄也不过10^10年。也就是说,宇宙中没人见过一个质子的衰变。

Gade警示称,应谨慎对滴线做出任何笼统的概括。然而,Phillips说,他希望实验结果能更好地限制滴液线,这样实验者就不必简单地进行感觉。除了其重要性之外,滴线的位置可能对中子星天体物理学产生影响。例如,Gade说,恒星残骸外壳中的一些过程据认为可以产生滴线之外富含中子的原子核,所以这些密度极高的恒星的精确性质和结构可能取决于滴线的详细情况。

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​ ​如果质子与中子的质量之差稍大一点,就会有更多的中子参与形成更复杂的重元素,就将遇到难以克服的能量屏障,使重元素无法形成,宇宙将只有氢元素。

实验人员希望能找到更重的钙同位素,并制造出足够的原子核来研究其性质。到2022年,当密歇根州立大学完成其耗资7.3亿美元的新型加速器稀有同位素光束设备时,此类研究将变得更加容易。“当我们查看了FRIB的计算结果之后,应该能够看到钙-68和钙-70。”Gade说,“如果它们存在的话。”

下一阶段研究可能会涉及硼-8的研究,它不稳定,在衰变前只有大约一秒钟的半衰期。因为原子核中中子较少,所以它的束缚比它稳定邻居要小得多,而且据信它的电荷半径更大。这是一个预测,但只有实验才能告诉我们,它实际上在多大程度上模拟了这个松散结合的系统,其研究成果发表在《物理评论快报》上。

​ ​若两者的质量之差稍小一点,那么在恒星形成之前,氢将自发地变成更无生气的氦,使得宇宙成为一个呆滞的世界。

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​ ​德国理论物理学家福多尔说,所有这些导致了一个必然的结论,即质子和中子的质量若不是像现在这样,那么人类将不会存在。

​ ​我们已知核子并非基本粒子。质子是由两个上夸克和一个下夸克组成,故带一个正电荷;中子由两个下夸克和一个上夸克组成,故呈电中性。下夸克略重于上夸克。但我们无法据此解释质子和中子的质量差。这两种夸克的质量都很小,我们很难确切地说出差额究竟是多少,因为夸克从未被单独看到过。总的来说,这些夸克加起来,只占质子、中子质量的很小一部分。

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