精確計算原子核的結構?

2021-01-18 博科園

新研究為精確計算原子核的結構開闢了道路，在一項結合實驗研究和超級計算機理論計算的研究中，科學家們確定了硼兩種同位素的核幾何形狀。這一結果將為科學家們精確計算其他原子核的結構開闢一條道路，科學家們可以通過實驗驗證這些結構。美國能源部阿貢國家實驗室研究人員與德國和波蘭的科學家合作，測定了硼-10和硼-11之間核電荷半徑的差異。

核電荷半徑表示原子核的大小，原子核的邊緣通常比較模糊。由於中子和質子的數量眾多，其性質和相互作用必須從量子力學中推導出來，因此對於比硼大得多的原子，核電荷半徑很難精確計算。核理論建立在量子色動力學(QCD)的基礎上，量子色動力學是一套物理規則，適用於構成原子核內質子和中子的夸克和膠子。但是，由於量子色動力學的複雜性，僅用量子色動力學來解決核動力問題幾乎是不可能的，研究人員必須依賴於至少一些簡化的假設。

由於硼相對較輕（只有5個質子和少量中子）研究小組成功地在Mira超級計算機上模擬了這兩種硼同位素。並用雷射光譜法對它們進行了實驗研究。Mira是Argonne Leadership Computing Facility (ALCF)的一部分，ALCF是美國能源部科學用戶設施辦公室。參與領導這項研究的阿爾貢核物理學家彼得·穆勒(Peter Mueller)說：這是最複雜的原子核之一，可以通過實驗得到這些精確的測量值，並從理論上推導出來，觀察硼-11 (11B)和硼-10 (10B)的核構型是如何不同。

（博科園-圖示）硼原子的示意圖，圖片：Ellen Weiss/Argonne National Laboratory這涉及到在非常小的長度尺度上進行測定：小於飛兆分之一米。在一個與直覺相反的發現中。研究人員確定硼-11中的11個核子實際上比硼-10中的10個核子佔據更小體積。為了對硼同位素進行實驗研究，達姆施塔特大學的科學家們對同位素樣品進行了雷射光譜分析，這些樣品在不同的頻率下發出螢光。阿貢物理學家羅伯特·維林加解釋說：雖然螢光模式的差異主要是由於同位素之間的質量差異造成，但測量中有一個成分反映了原子核的大小。

為了分離這些成分，華沙大學和波茲南亞當·米奇維茨大學合作者進行了最先進的原子理論計算，精確地描述了硼原子原子核周圍五個電子的複雜運動。早期電子散射實驗並不能確定哪個更大，通過使用雷射光譜學技術，可以確定額外的中子是如何更緊密地結合硼-11。實驗和理論對原子核尺寸的良好一致性使研究人員能夠更有把握地確定同位素的其他性質，例如它的衰變率。進行計算和實驗的能力可以同時驗證和加強其發現。

下一階段研究可能會涉及硼-8的研究，它不穩定，在衰變前只有大約一秒鐘的半衰期。因為原子核中中子較少，所以它的束縛比它穩定鄰居要小得多，而且據信它的電荷半徑更大。這是一個預測，但只有實驗才能告訴我們，它實際上在多大程度上模擬了這個鬆散結合的系統，其研究成果發表在《物理評論快報》上。

博科園｜研究/來自：阿貢國家實驗室參考期刊《物理評論快報》DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.182501博科園｜科學、科技、科研、科普

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