AI視頻 | 一場原子核間的接力賽——鐿-150同核異能態的發現

▲鐿-150同核異能態的發現（視頻中部分素材由AI生成）

接力賽，一定是體育場上最令人血脈僨張的項目之一了。而在比原子還要小億萬倍的原子核的世界里，竟然也上演著一場別開生面的“接力賽”。

科學家們通過研究稀有原子核的特殊狀態，揭開了一場由中子和質子完成的奇特接力。

被鎖住的高能量態

要理解這項發現，我們得先認識一下原子核這個微觀世界里的重要角色。

原子核由帶正電的質子和不帶電的中子組成。就像電子在原子中分層排布一樣，原子核中的質子和中子也按照能級高低依次排布，形成類似的殼層結構。當質子或中子的數目恰好填滿一個殼層時，原子核會變得格外穩定，這些特殊的數字被稱為“幻數”。

在通常情況下，原子核處在能量最低的狀態——“基態”。但在外界作用下，例如核與核之間的碰撞，原子核也可能被“激發”到更高能量的狀態——“激發態”。絕大多數激發態都極不穩定，會瞬間通過發射伽馬射線等方式釋放多余能量，從而回到基態。

然而，在某些特殊結構下，原子核可以在激發態“滯留”較長時間，遲遲不退回基態。這些壽命顯著延長、相對穩定的激發態，被稱為“同核異能態”（下文簡稱異能態）。

從1921年奧托·哈恩首次發現異能態開始，科學家們已經發現了約2600個半衰期大于10納秒的異能態。因其長壽命特性，異能態不僅在能源、醫療等領域具有潛在的應用價值，也是窺探原子核結構的重要窗口。

最長的異能態鏈

人們發現，在幻數核及其鄰近核中，往往更容易形成異能態。在核素圖上，靠近中子幻數82、中子數80的偶偶核中就存在著一條引人注目的“異能態鏈”。

在這條鏈上，自旋宇稱為10?的異能態從豐中子核鈀-126一直延伸至缺中子核鉺-148，在十二個偶偶核（質子數由46到68）中連續出現，形成了核素圖上最長的10?異能態鏈。

▲異能態在核素圖（部分）上的分布。圖中28, 50, 82和126為原子核的幻數。圖源| Physical Review Letters

然而，自1982年在鉺-148中發現異能態以來，尋找下一個成員——鐿-150中（質子數為70）的異能態，卻遲遲沒有進展。鐿-150是一個極度缺中子的核素，科學家們在實驗室里產生它都相當困難，以至于它究竟還存不存在異能態，異能態鏈還能否延續至質子滴線核區，成了四十多年來的未解之謎。

鐿-150異能態的發現

鐿-150在核反應中產生的幾率極低。在海量反應產物中，它的產額微乎其微，其出現就像是一閃而過的“微光”，幾乎淹沒于其他產物帶來的高額本底之中。要從中辨認出鐿-150的蹤跡，必須依靠精密的實驗設計與巧妙的關聯分析。

為了尋找鐿-150中的異能態，中國科學院近代物理研究所的科研人員與合作者在芬蘭于韋斯屈萊大學加速器實驗室開展了一次實驗。他們首先利用鎳-58束流轟擊釕-96靶，發生核反應產生目標原子核鐿-150。然后，借助反沖分離器對反應產物進行篩選，并將鐿-150傳輸至焦平面探測系統。最后，通過對鐿-150注入與衰變信號之間的時間和空間關聯，追尋異能態的衰變信號。

▲實驗裝置示意圖。圖源| Physical Review Letters補充材料

在持續一百多個小時的數據累積后，這個“隱匿于滄海”的微弱信號終于顯現。研究人員確認了鐿-150中異能態的存在，鑒別出自旋宇稱為10?，并構建了其衰變綱圖。經過測定，該異能態的壽命約為0.62微秒——不到短短百萬分之一秒，卻已堪稱核激發態中的“長壽老人”（大多數激發態壽命在納秒以下）。

至此，10?異能態鏈繼續向前延伸了一環。四十余年的等待，終于迎來答案。

一場奇特的“接力賽”

大家或許以為故事已近尾聲，其實好戲才剛剛上演。鐿-150異能態的首次發現，不僅補上了10?異能態鏈的最后一環，更為重新研究整條鏈的性質提供了一個絕佳機會。一個最自然的問題隨之浮現：為什么這條異能態鏈最長？

要回答這一問題，研究人員利用了一個關鍵的物理量——朗德g因子。這個實驗可測的物理量，本質上記錄著原子核自旋與磁矩之間的關系，如同一枚指紋，讓原本“掩面而藏”的核組態變得清晰可辨。他們對g因子實驗數據進行系統分析，并結合在同濟大學超算平臺上開展的理論計算，揭示出一個前所未見的現象：這條異能態鏈在延續過程中發生了一次 “接力”。

原來，這些異能態可分為兩組：一組源于雙中子組態，即兩個中子耦合形成的結構，能量主要由中子攜帶；另一組源于雙質子組態，即兩個質子耦合形成的結構，能量主要由質子攜帶。它們仿佛接力賽中的兩名選手，在釤-142與釓-144之間完成了一次完美的交接：中子組態毫不拖泥帶水地轉變為質子組態，將異能態的長壽命特性傳遞了下去。

正是這場發生在原子核間的接力賽，使這串10?異能態序列得以繼續向更缺中子區域延伸，成為核素圖上最長的異能態鏈之一。

▲異能態接力示意圖。圖| 張文強

還會有下一棒嗎？

“同核異能態接力”機制的首次發現，再次刷新了我們對原子核內部世界的認知。鐿-150是否是這條10?異能態鏈的終點？要回答這一問題，我們需要把目光投向下一個中子數為80的偶偶核——鉿-152。與鐿-150相比，鉿-152更加缺中子，產生幾率更低，目前仍屬于未知原子核，其合成與鑒別難度可想而知。

然而，未來并非遙不可及。在即將在廣東惠州投入運行的強流重離子加速器裝置（HIAF）上，依托其提供的高品質、高強度束流，科學家們有望合成鉿-152并探尋預期的異能態，以檢驗這條異能態鏈是否還能繼續向質子滴線方向延伸。

科學探索的“接力”沒有終點，或許就在不久的將來，我們將會揭開下一棒的答案。

作者：張文強、劉忠，系中國科學院近代物理研究所副研究員、研究員

來源：光明日報

責任編輯：梁春雨