热点关注:  
放射性同位素 粒子加速器 辐照杀菌 无损检测 高新核材 辐射成像 放射诊疗 辐射育种 食品辐照保鲜 废水辐照 X射线 中广核技 中国同辐

追问原子核存在的极限

2023-02-10 10:01     来源:中国物理学会期刊网     原子核核物理
中子滴线(the neutron drip-line)给出了原子核存在的边界极限,即一种元素的原子核在质子数一定时最多能包含的中子数。对处于滴线的原子核,如果再添加一个中子,它将不再是一个束缚的体系,从而中子会“滴出”。测绘滴线位置是现代核物理的一个主要科学目标。滴线边界成了验证和校准各种核理论模型的试验场,对我们认识中子星和超新星爆发环境中宇宙元素的生成起源非常关键。最近两个研究组的实验扩展了我们对滴线核区的认识。其中一个是日本理化学研究所的放射性同位素束流工厂(RIBF)的研究组,Deuk Soon Ahn及其同事发现了钠-39(39Na),这可能就是钠的滴线位置,如图所示。同时,美国密歇根州立大学的稀有同位素束流装置(FRIB)开展了建成后的第一个实验,Heather Crawford及其同事研究了接近钠元素的丰中子同位素,测量了一些以前未知的同位素寿命。

丰中子核区从氮到磷的核素版图的最新边界。Ahn和同事们发现了39Na,它很可能是钠的滴线同位素。Crawford及其同事测量了5个以前未知的同位素的寿命

经过一个多世纪的核科学研究,被发现的元素数不断增加,现在118号元素(Oganesson)已被发现。但是目前确认的中子滴线才到了氖,其滴线位于34Ne(中子数N=24)。RIKEN的实验中约有5×101748Ca核轰击Be靶,观测到了9个39Na同位素核的事例。这样的实验探测比大海捞针还要困难!37Na于2002年被实验发现,时隔20年才到39Na。最新的实验揭示了钠的滴线至少是39Na(N=28)。N=28是一个传统的壳幻数,但是在丰中子区壳层幻数发生了改变。这些规律似乎预示了原子核可以束缚比我们预期更多的中子。这种额外的结合能力可能是由于原子核的形变效应。最新的壳模型计算能解释图中已知的滴线,有些核模型却不能(译者注:理论还预言39Na是一个弱束缚的非球形晕核)。虽然实验上很难排除还有更多中子的钠同位素,但是理论上基本判定39Na就是滴线核。

发现新同位素只是核物理研究的第一步。有关同位素核的奇特性质,包括寿命、质量、自旋、激发态的测量可以更好地检验模型的预言能力。FRIB于2022年5月建成,是目前世界上产生奇异同位素最先进的加速器装置。最近FRIB发表了第一篇实验成果。他们用48Ca束流轰击Be靶产生丰中子的Mg,Al,Si和P的同位素,并测量了它们的寿命,其中有5个同位素的寿命是首次测量。目前FRIB的实验还没有产生更丰中子的新同位素,以达到测量原子序数Z 在12—15区域元素的滴线。这是因为FRIB才刚运行,其束流强度才开到了预定的1%,接下来的数月计划逐步提高束流强度,有望进一步扩展滴线边界。除了FRIB和RIBF,一些新的加速器装置也将发挥重要作用(如德国的反质子与离子研究装置(FAIR)。译者注:中国的强流重离子加速器装置(HIAF)也可以)。实际上地球上的加速器装置不可能达到所有的滴线边界,它们的存在和性质有赖于更可靠的核理论模型。这里介绍的39Na实验和未来实验为检验、约束和改进核理论模型提供了重要机遇。

推荐阅读

粒子物理和天体物理|研究揭示宇宙学一阶相变新方法

许多粒子物理和天体物理宇宙学的观测均预示着目前描述物质微观结构的粒子物理标准模型是不完备的。搜寻超出粒子物理标准模型的新物理的信号是当前粒子物理和宇宙学观测的重要科学问题之一。较多超出粒子物理标准模型的新物理模型都预言了宇宙演化过程中会发生一阶相变。 2023-02-16

太空原子钟能揭开暗物质面纱?

其中一类重要实验使用的是原子或原子核,因为它们对暗物质信号具有令人难以置信的敏感度。部分原因在于,当暗物质粒子质量非常小时,会引起自然常数的振荡。这些振荡,比如出现在电子质量或电磁力相互作用的强度中,会以可预测的方式改变原子和原子核的跃迁能量。 2023-02-16

原子能院建成百太瓦超强超快激光装置

近日,原子能院核物理研究所成功研制出百太瓦超快超强激光装置,激光脉冲的时域对比度和波前校正技术参数两项主要指标均达到国际先进水平,在激光核物理基础研究领域取得重要突破。强激光是研究高温高密等离子体环境下核反应机制的唯一途径,极端环境下的核反应研究对于理解核爆对核参数的影响具有重要意义。该研究成果对于核爆超快过程诊断、核材料探测、核废料处理等方面具有重大的应用价值。 2023-02-14

物质介观结构的中子探测

小角中子散射(SANS)技术是一种常见的中子散射技术。 2023-02-12

杨晓菲课题组在《粒子物理与核物理进展》发表关于激光核谱学研究奇特原子核的长篇综述文章

近日,北京大学物理学院技术物理系、核物理与核技术国家重点实验室杨晓菲研究员等应邀撰写的长篇综述文章“研究奇特原子核的激光核谱学”(Laser spectroscopy for the study of exotic nuclei )发表在核物理和粒子物理综述期刊《粒子物理与核物理进展》(Progress in Particle and Nuclear Physics)。 2023-02-01

阅读排行榜