一个原子核能有多少中子？

超导回旋加速器在日本物理化学研究所和光学研究所的放射性同位素束装置中产生了一种奇怪的核束。资料来源:RIKEN

一位日本物理学家制造了历史上最重的钙核——包含20个质子和40个中子。中子是最常见的钙的两倍多，比以前的记录多两到三倍。这一发现表明，原子核中的中子可能比以前想象的要多，这可能会影响中子星理论。

"这确实是一个重要而有趣的发现。"俄亥俄大学理论核物理学家丹尼尔·菲利普斯说。物理学家的核结构模型往往是更常见的原子核，即质子和中子的数量大致相等。当他们推断这些原子核具有更不平衡的质子和中子比率时，科学家们想知道这些理论可能有多错误。

原子核由质子和中子组成，它们被原子核的强大力量结合在一起。质子的数量决定了原子的化学元素特征。中子的数量决定了元素的同位素。教科书经常把原子核描绘成像胶体一样粘在一起的质子和中子，但真正的原子核要复杂得多。尽管原子核是由离散的粒子组成的，但它通常更像一个具有表面张力的液滴。同时，原子核有抽象的量子能量壳层。当它们有足够的质子或中子填充壳层时，它们的附着力会更大，就像在更大的尺度上，当原子填充电子壳层时，它们的惰性会更强。此外，质子和中子可以成对或三个一组，并且可以是暂时的，从而改变原子核的特性和稳定性。

理论物理学家使用不同的模型来解释这些竞争行为。对于相对较轻的原子核，初始化模型可以处理单个质子和中子的相互作用。然而，这种模型难以分析较重的原子核，因此理论物理学家采用了基于“密度普遍函数”的更近似的模型，将质子和中子的分布作为连续变量。然而，几十个这样的模型在基本问题上可能会有所不同，比如有多少中子会附着在原子核上，物理学家通常会在网格图上想象这一极限。该图将显示纵轴上的质子数和横轴上的中子数。已知的和预测的原子核将形成一个“十”字形带，其下边界标有“中子落线”:一个原子核能容纳的最大和中等中子数。很长一段时间以来，物理学家们还不知道这条落线的确切位置。

现在，一个由30名成员组成的团队已经制造出了一批新的“富含中微子”的原子核。他们在最近发表在《物理评论快报》上的一份报告中说，研究表明下降线超过了许多理论预测。密歇根州立大学的实验者Alexandra Gade说，该小组使用钙原子进行检测，因为原子中大量的质子赋予了它更强的化学键。

研究人员利用RIKEN的放射性同位素束设备，通过将重锌核发射到铍靶上来分解它。然后，他们使用非常精确的磁选机对碎片中的大量原子核进行分类。该研究小组已经产生了八个新的富中子核，包括钙-59和钙-60，它们分别含有39和40个中子。为了产生两个钙-60，研究人员向目标发射了数百亿个锌核。

新的结果似乎打乱了初始化模型，该模型通常预测钙-60不应存在。Gade说，事实上，这些数据表明，用更多的中子制造钙核是可能的。在研究人员比较了35个模型后，最适合所有新数据的两个模型预测钙同位素有钙-70，这将有多达50个中子。

Gade警告说，任何对滴灌管的概括都应该小心谨慎。然而，菲利普斯说，他希望实验结果能更好地限制滴管，这样实验者就不必简单地感觉到滴管了。除了它的重要性，落线的位置可能影响中子星的天体物理学。例如，Gade说，恒星碎片外壳中的一些过程被认为在落线之外产生了富含中子的原子核，因此这些极其致密的恒星的精确性质和结构可能取决于落线的细节。

研究人员希望找到更重的钙同位素，并产生足够的原子核来研究它们的性质。到2022年，当密歇根州立大学完成其耗资7.3亿美元的新加速器稀有同位素束设备(FRIB)时，这样的研究将变得更加容易。"当我们看FRIB的计算结果时，我们应该能看到钙-68和钙-70 . "加德说，“如果他们存在。”

(冯伟伟)

中国科学新闻(2018-07-23，第二版国际)