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追問原子核存在的極限

2023-02-10 09:56  來源:中國物理學會期刊網    中子滴線  原子核  同位素  核工程與核技術

中子滴線(the neutron drip-line)給出了原子核存在的邊界極限,即一種元素的原子核在質子數一定時最多能包含的中子數。對處于滴線的原子核,如果再添加一個中子,它將不再是一個束縛的體系,從而中子會“滴出”。


中子滴線(the neutron drip-line)給出了原子核存在的邊界極限,即一種元素的原子核在質子數一定時最多能包含的中子數。對處于滴線的原子核,如果再添加一個中子,它將不再是一個束縛的體系,從而中子會“滴出”。測繪滴線位置是現代核物理的一個主要科學目標。滴線邊界成了驗證和校準各種核理論模型的試驗場,對我們認識中子星和超新星爆發環境中宇宙元素的生成起源非常關鍵。最近兩個研究組的實驗擴展了我們對滴線核區的認識。其中一個是日本理化學研究所的放射性同位素束流工廠(RIBF)的研究組,Deuk Soon Ahn及其同事發現了鈉-39(39Na),這可能就是鈉的滴線位置,如圖所示。同時,美國密歇根州立大學的稀有同位素束流裝置(FRIB)開展了建成后的第一個實驗,Heather Crawford及其同事研究了接近鈉元素的豐中子同位素,測量了一些以前未知的同位素壽命。


豐中子核區從氮到磷的核素版圖的最新邊界。Ahn和同事們發現了39Na,它很可能是鈉的滴線同位素。Crawford及其同事測量了5個以前未知的同位素的壽命

經過一個多世紀的核科學研究,被發現的元素數不斷增加,現在118號元素(Oganesson)已被發現。但是目前確認的中子滴線才到了氖,其滴線位于34Ne(中子數N=24)。RIKEN的實驗中約有5×101748Ca核轟擊Be靶,觀測到了9個39Na同位素核的事例。這樣的實驗探測比大海撈針還要困難!37Na于2002年被實驗發現,時隔20年才到39Na。最新的實驗揭示了鈉的滴線至少是39Na(N=28)。N=28是一個傳統的殼幻數,但是在豐中子區殼層幻數發生了改變。這些規律似乎預示了原子核可以束縛比我們預期更多的中子。這種額外的結合能力可能是由于原子核的形變效應。最新的殼模型計算能解釋圖中已知的滴線,有些核模型卻不能(譯者注:理論還預言39Na是一個弱束縛的非球形暈核)。雖然實驗上很難排除還有更多中子的鈉同位素,但是理論上基本判定39Na就是滴線核。

發現新同位素只是核物理研究的第一步。有關同位素核的奇特性質,包括壽命、質量、自旋、激發態的測量可以更好地檢驗模型的預言能力。FRIB于2022年5月建成,是目前世界上產生奇異同位素最先進的加速器裝置。最近FRIB發表了第一篇實驗成果。他們用48Ca束流轟擊Be靶產生豐中子的Mg,Al,Si和P的同位素,并測量了它們的壽命,其中有5個同位素的壽命是首次測量。目前FRIB的實驗還沒有產生更豐中子的新同位素,以達到測量原子序數Z 在12—15區域元素的滴線。這是因為FRIB才剛運行,其束流強度才開到了預定的1%,接下來的數月計劃逐步提高束流強度,有望進一步擴展滴線邊界。除了FRIB和RIBF,一些新的加速器裝置也將發揮重要作用(如德國的反質子與離子研究裝置(FAIR)。譯者注:中國的強流重離子加速器裝置(HIAF)也可以)。實際上地球上的加速器裝置不可能達到所有的滴線邊界,它們的存在和性質有賴于更可靠的核理論模型。這里介紹的39Na實驗和未來實驗為檢驗、約束和改進核理論模型提供了重要機遇。

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