这一极限探索，迎来新的机制
这一极限探索，迎来新的机制Original 啾啾子
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有这样一个问题一直在许多物理学家和化学家的心中萦绕：对于一个给定质子数的原子来说，究竟最多能容纳多少个中子？
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原子包含了原子核和绕其运行的电子，上图所示的是氦原子示意图。
其实，寻找每种化学元素所能容纳的最大中子数，便是许多科学家所热衷的一项极限挑战。这一极限被称为中子滴线，之所以每种元素都存在这样一个极限，是因为一旦超过这个中子数，能量会将原子核分开，使其不能再粘合在一起。
这项研究的实验难度很大，因为找到每个元素的中子滴线不仅意味着要通过实验将这样一个粒子创造出来，还需要能证明这就是最重的同位素。在很长一段时间里，科学家只知道所有已知元素中的8种最轻元素的中子滴线，直到2019年，一个日本研究团队找到了迄今为止的最重同位素——氟-31、氖-34，以及钠-39（详见《20年的极限探索，首次迎来新的突破》）。更多的是尚未被测试过的元素，无人知晓这些它们的核极限位处何处，而更令科学家们头疼的一点是，并没有理论机制告诉我们应该如何预测这些中子滴线的位置。
https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_png/tqOuxs8dsHMWicVlIHCDqBQ1rkQKtqDBPHKRMqRQC510AvbXBrQfcMHc6eAriaK9wvWu5CZibnFFu2fThfkteEBgA/640?wx_fmt=png 对于具有一定质子数量的原子核来说，它能束缚的中子数量是有限的。一旦超过这个极限，原子核便会停止粘合在一起。图中显示了元素周期表中已知元素的中子滴线（粉线)。| 图片来源：APS / Joan Tycko
最近，一篇发表在《自然》杂志上的研究表示，中子滴线背后的形成机理可能与原子核的形状有关。在论文中，研究人员用计算结果展示了如何利用原子核的形变来预测滴线的出现。https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_png/tqOuxs8dsHMiceFhviarQbuQ8zhzIr7gSqBib0We7QEcBXqbFLHc9qUhibWBuyMrQeSqtR5GHcVymC4R5STia4cLOGA/640?wx_fmt=png
在原子核中，将质子和中子结合在一起的强核力，往往倾向于让这两种粒子的数量相当；而作用力相对较弱、作用范围相对较长的静电斥力，则会阻碍质子在原子中堆积。如果按照坐标轴的纵轴是稳定原子核的能量，横轴是质子数和中子数来进行绘图，那么我们可以得到一个呈V字形的曲面，曲面的低谷部分就对应于最稳定的同位素。当向这样的同位素中继续添加中子，我们就会从沿着曲面从谷底向上移动。
当中子被添加到一定程度时，原子核的总能量会少于组成部分中的能量，从而导致原子核分开。原子核的总能量与其组成部分的能量之差被称为结合能，如果添加的中子能增加结合能，那么这个中子就能”粘“住原子核；如果降低了结合能，中子就会“滴落下来”。
在原子核壳模型中，质子和中子都占据着不同的量子壳层，每个壳层都有其特定的势能。长时间以来，物理学家都认为，如果质子数和中子数之间的差距增大，那么势能就会减小，这时新添加一个中子会导致结合能的降低。
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然而质子和中子并不都在一个壳层中，它们在强核力的驱动下会从一个壳层跃迁到另一个壳层之上，形成不同的构型。随着中子数量的增加，原子核的形状会变形成椭球体，从而使得结合能增加；然而，当质子数和中子数到达特定值时，这种能量亏损会尤其大，形变也不再发生。
在新的研究中，研究人员认为，正是这种在原子核的形变上出现的“饱和点”，使得同位素变成了非束缚态，能让更多的中子流出，导致了中子滴线的出现。
https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_jpg/tqOuxs8dsHMWicVlIHCDqBQ1rkQKtqDBPHkSJCMOcWTiadH1wgTYxLsdWlnoicwlBRNDOSr9hOXf2ZuVE6jrOKVEw/640?wx_fmt=jpeg 中子滴线的形成机制，从左到右最左边的球形是一个具有特定结合能的球状核；当中子加入时，原子核变成椭球形，结合能升高；继续增加中子，原子核的形变愈加严重，结合能进一步增加；当抵达了滴线时，结合能会下降，核的形变减弱，继续增加的中子也无法在与原子核结合。| 参考来源：Tsunoda et al. / Nature
那么真的是核的形变导致了结合能的变化吗？研究人员计算了各种可能会影响结合能的因素，除了形变产生的能量之外，他们还计算了比如当在壳中添加一个中子时会产生的平均能量（单极能量），以及质子和中子配对时产生的能量。他们发现，随着中子数量的增加，单极子的能量所施与的影响的确会稳步上升，与此同时原子核的形变加剧；但是当中子数持续增加时，原子核的形变开始变得微弱，这时结合能开始下降，滴线出现。此外，配对的影响虽不能忽略不计，但它几乎是恒定不变的，因此不会导致滴线的出现。https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_png/tqOuxs8dsHMiceFhviarQbuQ8zhzIr7gSq89EiauuvYInPhcqWTCIXGeYH2ENhkvibBuYlXQ35smic49y5MH5CsEibjg/640?wx_fmt=png
核变形是核物理学中常用的概念，研究人员利用这一概念提出了解释中子滴线的新机制。然而有物理学家指出，这种新机制仍存在一些疑问。比如尽管他们所进行的计算非常详尽精确，但他们进行了一些假设，忽略了一些对定义较轻原子核的滴线起着至关重要的作用的状态。此外，这项研究在描绘质子和中子之间的相互作用时，对粒子的能量也作了一些“人工性”的经验调整，这也可能会影响新提出的机制的稳健性。
研究人员表示，他们得到的计算结果也与最近进行的一些其他实验的结果一致。这样的结果或许对其他试图能更好地理解原子核的科学家有一定帮助。他们相信，新提出的中子滴线形机制，对于激发该领域的科学家对解释富含中子的核合成进行更深层次的思考具有积极意义。
参考来源：https://phys.org/news/2020-11-physicists-mechanism-responsible-neutron-line.htmlhttps://www.nature.com/articles/d41586-020-03016-7https://www.nature.com/articles/s41586-020-2848-x
封面图来源：geralt / Pixabay
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