基本介紹
- 中文名：梨形原子核
- 記載雜誌：《自然》
- 研究員：Butler和他的同事
- 特點：有望顛覆傳統的原子物理理論
基本信息,發現歷程,相關介紹,形態探索,發現意義,
基本信息
梨形原子核Butler和他的同事在歐洲粒子物理學實驗室（CERN），使用一種名為REX-ISOLDE的粒子加速器將氡220和鐳224的放射性離子加速到光速的10%，發現一些原子的原子核是梨形的而不是球形，它們被稱為“梨形原子核”，這種不規則形狀的原子核將有望顛覆傳統的原子物理理論，並揭開宇宙中物質多於反物質的謎團。
發現歷程
利物浦大學的一位物理學家，同時也是這項研究的作者Peter Butler說道，對於那些尋找宇宙組成物質新答案的研究人員來說，這種不穩定的原子核可能會是不錯的候選者。然而大多數的原子都擁有球形的原子核，擁有梨形原子核的原子之前就被猜測存在，但是發現它們是相當困難的。
Butler告訴《生命科學》道：“伽馬射線的強度會告訴我們激發原子核量子態的可能性，而且那種可能性與原子核內部的電荷分布直接相關。”原子核中正電荷的分布表明原子核是不均衡的。通過對伽馬射線的進一步分析，他們能夠重建原子核形狀。
田納西大學的一位理論核物理學家Witold Nazarewicz說道，這些發現能夠幫助科學家們尋找標準模型之外的物理學現象。特別是，這種梨形的原子核能夠幫助我們更好的尋找電偶極矩，或者原子核內部正負電荷的一種非對稱性分布。而且電偶極矩將為我們提供一種方式來測試標準模型的拓展理論，比如說超對稱性。Nazarewicz告訴《生命科學》道：“有強大的理論表明，梨形原子核內的電偶極矩非常大。這些系統對於未來尋找這種電偶極矩是一個非常理想的場所。”
為了在這方面尋求突破，英國利物浦大學物理學家皮特·巴特勒(Peter Butler)和他的同事們利用設在瑞士-法國邊境地區的歐洲核子中心(CERN)的ISOLDE同位素分離器裝置進行了研究。在實驗過程中，巴特勒的小組向一小塊碳化鈾物質發射出一束高能質子束。巴特勒表示：“當我們的質子束擊中這一材料時產生了大量的同位素粒子。”研究組從這些產物中分離出兩種粒子：鐳224和氡220。研究組隨後收集這些同位素粒子並再次將其發射向第二個靶標，當這些粒子與靶標中的原子核近距離遭遇時，它便會受激並旋轉，隨後發出伽馬射線輻射並損失能量。
在這一過程中，原子核的形狀會影響在近距離遭遇時原子核受激的難易程度。伽馬射線探測器的數據顯示氡220的原子核會在近似圓球形和兩頭不對稱形狀之間變動震盪，但是鐳224的原子核則的確是一個真正意義上的梨形，不過不是那種細長的梨，而是較為“短脖子”的梨。
相關介紹
世界所有物質都是由分子構成，或直接由原子構成，而原子由帶正電的原子核和帶負電的核外電子構成，原子核是由帶正電荷的質子和不帶電荷的中子構成，原子中，質子數=電子數，因此正負抵消，原子就不顯電，原子是個空心球體，原子中大部分的質量都集中在原子核上，電子幾乎不占質量，通常忽略不計。
原子核是由強核力聚合在一起的，這種力必須克服質子間的靜電斥力而將原子核聚集在一起。然而要想使用第一性原理來計算這些粒子間的相互作用是非常複雜的，因此理論物理學家們提出了一些有時是相互矛盾的模型來描述原子核結構，他們的依據一般是長期以來的經驗，以及一些簡單化的假設。這樣做的結果是，大部分的原子核都會被描述成是圓形的，或是橄欖球形的，但是根據這些模型，有些原子核的一端也可能擁有一個永久性的突起，也就是說，它們是梨形的！事實上甚至還可能有些原子核是香蕉形狀或金字塔形狀的。不過這些不同的模型在究竟哪些原子核更加容易擁有此類不規則形狀的問題上並沒有達成一致的結果。
形態探索
迄今為止，已發現的穩定原子核265種，60種天然放射性核，人工合成有2400種核，然而在核素圖上，由中子滴落線、質子滴落線及自裂變半衰期大於1μs的限制邊界內所包圍的核素應有8000餘種，這表明有一大半核尚未被人們認識。根據原子核研究的情況，考慮到可能的生成與鑑別方法，估計還可能被生成或鑑別600種左右的新核素，它們是世界各地有關實驗室不惜耗費重金搜尋的目標。
然而，隨著遠離β穩定線，未知新核素的生成截面也越來越小，壽命越來越短，使分離、生成和鑑別的難度越來越大。遠離穩定線原子核研究在核物理學中占有特殊重要的地位。首先，這些核素具有一系列獨特的性質，例如它們的中子、質子數之比異常，有的核結合能極大，有新的衰變方式，如高能β衰變、β延遲粒子發射、β延遲衰變、表面結團結構、形狀共存以及中子滴落線附近核的反常大半徑等。對這些獨特現象的研究，有助於檢驗和發展現有的原子核理論。此外，現有的核結構模型，大部分是在β穩定線附近幾百種核研究基礎上建立起來的，如液滴模型、獨立粒子核殼層模型、核集體模型等，它們都有待在遠β穩定線的原子核研究中得到檢驗、深化與發展。隨著新核素的生成與鑑別，以及隨著對它們的衰變性質及核結構的研究，會不斷地有新的現象被揭示，人們對核內部的結構以及運動規律的認識也將不斷地深化。此外通過對遠離β穩定線原子核的研究，還可能找到某些新的同位素和核燃料，為核能與核技術的套用提供新的能源。總之，核物質新形態的研究是一個十分廣闊而又值得探索的新領域，這一領域中的任何新的進展都將能推動與它有關的原子物理、天體物理、核化學以及放射化學的進展。
在核物質新形態探索中，帶有重要影響的有重離子核物理、極端條件下原子核以及夸克-膠子電漿的研究。
截至目前，科學界僅僅發現了一種梨形的原子核，即鐳226，這是早在1993年便取得的發現。這種同位素相對而言比較容易操作，因為它的半衰期時間較長，而其它被懷疑擁有類似形狀的同位素原子核都太不穩定了，難以進行測量和操作。
發現意義
梨形原子核的發現意義是重大的，找到這兩種新的梨形原子核之後，物理學家們便可以從現存的不同理論模型中進行比對並從中排除那些已經可以被證偽的模型了。比如所謂的“群模型”，該模型認為梨形原子核的本質實際上就類似於氦核附著於原本呈球形的其它原子核上，並預言鐳較輕的同位素相比其較重的同位素會顯示出更加明顯的“梨形”特徵。然而梨形原子核的實驗觀測已經證明鐳224的梨形特徵程度要比鐳226更小，這與“群模型”給出的預言相反，這就讓這一模型的正確性受到了質疑。另一個名為“平均場模型”的理論，其與實際觀測結果更加接近，儘管仍然並不完美。在當下這一階段還無法非常明確的斷言某一理論的正確或謬誤，因為設備還不允許進行非常明確的實驗檢驗，但是巴特勒和他的科研組正翹首以盼，等待預計於2015年建成的歐洲核子中心新型的“HIE-ISOLDE”設備投入使用後儘快著手進行這樣的驗證性實驗觀測。這台新型設備擁有更高的能級和強度。
