一樁懸案：是誰敲開了原子核的大門？

假如由于某種大災(zāi)難，所有的科學(xué)知識都要被毀滅，只有一句話可以留存給新世代，哪句話可以用最少的字?jǐn)?shù)包含最多的信息呢？我相信那會是原子假說：宇宙萬物由原子構(gòu)成。

——《費(fèi)曼物理學(xué)講義》

若后世文明重拾此句，并再度窺探原子內(nèi)部，他們會看到一對奇特的鄰居：又小又輕、奔忙不息的電子，以及又大又重、幾乎靜止的原子核。科學(xué)家們常將二者分開研究——原子分子物理學(xué)家常常將原子核視為固定不動的背景，核物理學(xué)家則幾乎忽略電子的存在——且都取得了成功。然而，這對鄰居之間，其實(shí)存在著隱秘而深刻的交流。一場圍繞“是誰敲開了原子核大門”的前沿探索與激烈爭議，正由此展開。

1

被“卡住”的能量：同核異能態(tài)

想象一位癌癥患者的腫瘤中被植入了一小團(tuán)碘-125。這些原子核就像不安的住戶，偶爾會突然“開門”，將核外一個電子拽入其中。電子的突然到來，使得一個質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶樱雍怂プ優(yōu)榉€(wěn)定的碲-125，并釋放出一道特征X射線——正是它精準(zhǔn)地殺傷癌細(xì)胞。這個過程被稱為軌道電子俘獲衰變。

然而，這種交流是隨機(jī)且被動的。一個更大膽的設(shè)想隨之誕生：我們能否主動派遣一位“電子信使”，以精確可控的方式“敲開”原子核的大門，觸發(fā)我們想要的反應(yīng)？這不僅能揭示核物理的深層奧秘，更蘊(yùn)含著“按需釋放核能”的終極夢想。

這個設(shè)想的關(guān)鍵目標(biāo)，是一種名為“同核異能態(tài)”的原子核狀態(tài)。原子核會存在不同的能量狀態(tài)，同核異能態(tài)是一種特殊的激發(fā)態(tài)，因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)而擁有很長的壽命。它們存儲了大量能量，卻難以自發(fā)釋放，被視為極具潛力的高能量密度儲能載體。

圖 科學(xué)家通常將能量更高、壽命較長的原子核激發(fā)態(tài)稱為同核異能態(tài)。圖源 | Characteristics and Structure of Matter

同核異能態(tài)被賦予了太多有關(guān)未來核能的大膽想象，或許是讓宇宙飛船無限續(xù)航的超級電池，或許是新一代相干伽馬激光源，還可能是號稱未來核武器的伽馬炸彈……

然而，如何按需、快速地觸發(fā)同核異能態(tài)的能量釋放，是實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用的核心挑戰(zhàn)。同核異能態(tài)就像一座微觀世界的蓄水大壩，能量豐沛，卻被高壩攔截。壩體象征著原子核內(nèi)部特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的“禁戒”。

圖 同核異能態(tài)存儲了大量能量，卻難以自發(fā)釋放，就像一座微觀世界的蓄水大壩。圖源 | 王琳然

拆不掉大壩，那么能不能從外部注入一股精準(zhǔn)能量，像一臺強(qiáng)大的揚(yáng)水機(jī)，將一部分水體瞬間提升到足以越壩的高度，使其轟然落下，釋放能量呢？這便是實(shí)現(xiàn)同核異能態(tài)“激發(fā)退激”的物理圖像。

2

失靈的“光子鑰匙”與漫畫般的設(shè)想

最直接的“揚(yáng)水機(jī)”是光子。1999年，美國人科林斯（C.B. Collins）曾報道，用X射線轟擊鉿-178的第二個同核異能態(tài)，觀測到其退激速度有所增加。這一結(jié)果展示的潛在應(yīng)用前景，一度引發(fā)了廣泛討論。

這項研究還催生了一種漫畫般的設(shè)想——“伽馬射線炸彈”，與漫威宇宙中將班納博士變?yōu)榫G巨人的“伽馬炸彈”如出一轍。其原理正是利用X射線照射來觸發(fā)同核異能態(tài)能量的瞬間釋放。

圖 在漫威漫畫中，伽馬炸彈是班納博士設(shè)計的核武器，可以輸出超強(qiáng)的伽馬射線能量。圖源 | 《原罪?浩克大戰(zhàn)鋼鐵俠》

然而，后續(xù)實(shí)驗卻無法重現(xiàn)相似的激發(fā)效率。從物理機(jī)制上看，由于原子核的尺寸遠(yuǎn)比原子整體小得多，入射的X射線能量在抵達(dá)原子核之前，絕大部分會先與核外電子云發(fā)生相互作用而被吸收或散射，這從根本上限制了光致核激發(fā)方案的實(shí)際效率與應(yīng)用前景。

于是，科學(xué)家的目光又投向了原子內(nèi)部那位天然的鄰居身上：能否利用電子作為信使，完成精準(zhǔn)的能量觸發(fā)呢？

3

1% 還是百億分之一？

2018年，頂級期刊《自然》刊登了一篇重要論文。美國科學(xué)家聲稱，在美國阿貢國家實(shí)驗室首次觀測到了電子俘獲致核激發(fā)（NEEC）現(xiàn)象。他們將鉬-93同核異能態(tài)（鉬-93m）離子注入碳膜減速，并觀測到了特征伽馬射線，據(jù)此推算的激發(fā)概率高達(dá)1%。

這個數(shù)字在相關(guān)研究者看來，更像一個“奇跡”。因為NEEC的發(fā)生條件近乎苛刻：高速運(yùn)動的離子會出現(xiàn)空電子軌道，而在離子自身的參考系中，慢化介質(zhì)中電子如雨點(diǎn)般高速襲來。只有當(dāng)某個電子的動能，加上它落入空軌道時釋放的束縛能，兩者之和精確匹配原子核激發(fā)所需的能量時，共振才會發(fā)生。這好比在全速對開的列車上，隨機(jī)向車外扔一顆綠豆，它必須恰好落入對面列車桌上的一個小瓶口中。

圖 電子俘獲致核激發(fā)示意圖 圖源 | Nuclear Science and Techniques

僅僅過了一年，理論物理學(xué)家在《物理評論快報》上發(fā)表了詳細(xì)計算，提出了他們的觀點(diǎn)：在該實(shí)驗條件下，NEEC的理論概率應(yīng)低至10-11量級。這與實(shí)驗結(jié)果相差了整整九個數(shù)量級（十億倍）——這不再是誤差，而是根本性的矛盾。

九個數(shù)量級的鴻溝，也引起了實(shí)驗物理學(xué)家的強(qiáng)烈好奇。通過仔細(xì)推敲該論文的圖表和數(shù)據(jù)，中國科學(xué)院近代物理研究所的科研人員從已公開的信息中，發(fā)現(xiàn)了一些難以自洽之處。2021年，他們在《自然》的評論專欄發(fā)表了這些質(zhì)疑觀點(diǎn)：實(shí)驗中復(fù)雜的伽馬射線本底可能未被充分排除，這或許導(dǎo)致信號被嚴(yán)重高估。

是否真的是電子敲開了原子核的大門？中國科學(xué)家決定通過實(shí)驗來尋找答案。

4

兩輪追蹤 “真兇”浮出水面

光譜的本底厚重而復(fù)雜，在這種環(huán)境中尋找稀有事件本就非常困難。為何不去黑夜里尋找螢火蟲呢？

研究人員不僅提出了質(zhì)疑，更構(gòu)思了一個新的實(shí)驗思路基于蘭州重離子加速器的次級束流線（RIBLL1），創(chuàng)造性地利用同核異能態(tài)束流研究NEEC現(xiàn)象。他們將產(chǎn)生目標(biāo)原子核的劇烈初級反應(yīng)與測量同核異能態(tài)激發(fā)的微弱次級反應(yīng)，在時間和空間上嚴(yán)格分離，從而在“干凈”的本底環(huán)境下進(jìn)行測量。

圖 利用約35米的放射性束流線把鉬-93m從高本底反應(yīng)區(qū)分離、傳輸?shù)降捅镜诇y量區(qū)，實(shí)驗測量靈敏度顯著提高。圖源 | 郭松

首次實(shí)驗中，近代物理所實(shí)驗團(tuán)隊選擇了穩(wěn)妥的氪-86轟擊碳靶方案，通過低能的熔合蒸發(fā)反應(yīng)產(chǎn)生鉬-93同核異能態(tài)。然而，在累計93小時的測量后，他們并未觀測到任何NEEC信號，提取的實(shí)驗激發(fā)幾率的上限值僅為十萬分之二，遠(yuǎn)低于此前報道的1%。2022年，這項實(shí)驗研究發(fā)表在《物理評論快報》上。

首輪實(shí)驗的成功，證明了利用同核異能態(tài)束流研究NEEC的可行性和必要性。但也留下了疑問：是否因為同核異能態(tài)離子能量較低，導(dǎo)致未能觀測到同核異能態(tài)激發(fā)信號呢？實(shí)驗團(tuán)隊決定開展第二輪實(shí)驗，提高束流能量。

圖 利用RIBLL1研究鉬-93同核異能態(tài)的激發(fā)退激。圖源 | 許世偉

這一次，近代物理所的研究者們選擇了理論上更優(yōu)但技術(shù)難度更高的方案：用鋯-94束流轟擊氦氣靶。在新一輪實(shí)驗中，同核異能態(tài)離子能量被大幅提升至每核子約11兆電子伏，高于美國實(shí)驗的能量。經(jīng)過精密純化后，鉬-93m離子被注入到覆蓋有鉛箔或碳箔的探測器中，注入的數(shù)量比首輪實(shí)驗多出一個量級。

最終，在碳箔和鉛箔上，團(tuán)隊都清晰地觀測到了同核異能態(tài)激發(fā)退激的特征信號，幾率分別約為百萬分之五和十萬分之二。

圖 高純鍺伽馬探測器陣列 圖源 | 近代物理所

然而，關(guān)鍵問題接踵而至：激發(fā)是誰觸發(fā)的？是電子，還是慢化介質(zhì)材料中的原子核？

理論計算表明，實(shí)驗測得的激發(fā)概率與“核-核非彈性散射”的理論預(yù)期完全吻合。尤其是在高原子序數(shù)的鉛箔上，信號遠(yuǎn)強(qiáng)于碳箔，這正是核-核相互作用的典型特征。這意味著，實(shí)驗中觀測到的主要“敲門人”，并非預(yù)想中的電子信使，而是原子核。

2026年2月6日，這項歷經(jīng)兩輪精益求精實(shí)驗的研究成果，以“編輯推薦”的形式發(fā)表在《物理評論快報》上，澄清了鉬-93同核異能態(tài)激發(fā)機(jī)制的爭議。研究始于追尋“電子敲門”的夢想，卻以證實(shí)“核核敲門”為主導(dǎo)機(jī)制而告終。

圖 基于蘭州重離子加速器次級束流線的實(shí)驗結(jié)果澄清了鉬 -93m能量釋放機(jī)制的爭議。圖源 | 近代物理所

5

未完待續(xù)

尋找電子信使的故事雖暫告段落，但它澄清了迷霧，樹立了路標(biāo)。科學(xué)研究的意義，并不止于證實(shí)最初的假設(shè)。科學(xué)從來不會承諾給出我們期待的答案，卻總在排除一個個“不可能”之后，引領(lǐng)我們更加接近事實(shí)的真相。

未來，在即將投入運(yùn)行的強(qiáng)流重離子加速器裝置（HIAF)上，利用新的實(shí)驗方案，真正的電子信使或許將被捕獲。而那時，科學(xué)家們將感謝今天這場曲折的追蹤案，為他們鋪平了道路。

作者：郭松 丁兵 梁玉強(qiáng)

論文鏈接：https://doi.org/10.1103/kbf5-6fcl

參考文獻(xiàn)：

1. S. Guo, B. Ding, X. H. Zhou, et al, Probing 93mMo isomer depletion with an isomer beam, Phys. Rev. Lett. 128, 242502 (2022).

2. S. Guo, Y. Fang, X. Zhou, and C. M. Petrache, Possible overestimation of isomer depletion due to contamination, Nature 594, E1 (2021).

3. C. J. Chiara, J. J. Carroll, M. P. Carpenter, et al., Isomer depletion as experimental evidence of nuclear excitation by electron capture, Nature 554, 216 (2018).

4. Y. Wu, C. H. Keitel, and A. Palffy, 93mMo isomer depletion via beam-based nuclear excitation by electron capture, Phys. Rev. Lett. 122, 212501 (2019).

來源：中國科學(xué)院近代物理研究所

編輯：endlesscliff

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