物理學家測量鍆的原子核特性

德國重離子研究中心（GSI）/ 未來強子-重離子研究裝置（FAIR）加速器設施的物理學家，深入探究了鍆（fermium）的原子核結構。鍆是錒系的一種人造化學元素，原子序為100。運用雷射光譜技術，他們追蹤了核電荷半徑的演變，發現隨著中子被新增到原子核中，其呈穩定增長趨勢。

瓦爾比內克（Warbinek）等人研究的鍆同位素在這張圖表中被特別標出。圖片出處：S. 雷德（S. Raeder）。

美因茨亥姆霍茲研究所（Helmholtz-Institut Mainz）及德國重離子研究中心（GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung）的研究員塞巴斯蒂安·雷德（Sebastian Raeder）博士及其同事表示：「迄今日前所知的最重原子核，其存在歸功於量子力學的核殼層效應。」

「這些效應增強了原子核抵抗自發裂變的穩定性，使得超重原子核得以形成。」

「在特定的質子數（Z）或中子數（N），即所謂的幻數時，核子殼層會呈現出較大的能隙，從而提高了原子核的穩定性。」

「這與惰性氣體封閉的電子殼層使其具有化學惰性的情形類似。」

「已知質子（Z = 82）和中子（N = 126）數都為幻數的最重原子核是鉛-208，它是一個球形原子核。」

「在鉛-208之外，下一個球形殼層能隙的位置尚不清楚；核模型最常預測其在Z = 114、Z = 120或Z = 126，以及N = 172或N = 184時出現。」

「預測結果的這種差異，主要是由於超重原子核中單粒子能級密度較大等因素所致。」

作者們運用基於雷射的方法，研究了含有100個質子（Z = 100）、145至157個中子（N = 145 - 157）的鍆原子核。

具體而言，他們探究了量子力學殼層效應對原子核大小的影響。

雷德博士稱：「這使得我們能從新的角度，闡明在中子數152附近已知殼層效應範圍內這些原子核的結構。」

「在這個中子數時，先前已在核結合能趨勢中觀察到中子殼層封閉的特徵。」

「2012年，德國重離子研究中心（GSI）/ 未來強子-重離子研究裝置（FAIR）透過高精度質量測量，測定了殼層效應的強度。」

「根據愛因斯坦的理論，質量與能量等效，因此這些質量測量為殼層效應所提供的額外結合能提供了線索。」

「中子數152附近的原子核是深入研究的理想物件，因為它們的形狀更像橄欖球，而非球形。」

「這種變形使得原子核中的眾多質子比在球形原子核中相距更遠。」

在此次測量中，研究人員研究了壽命從幾秒到一百天不等的鍆同位素。他們使用不同方法製備鍆同位素，並在應用的雷射光譜技術上取得了方法論上的進展。

短壽命同位素在德國重離子研究中心（GSI）/ 未來強子-重離子研究裝置（FAIR）加速器設施中產生，在某些情況下，每分鐘只有少數幾個原子可用於實驗。

產生的原子核在氬氣中停止運動，捕獲電子形成中性原子，然後用雷射光進行探測。

富含中子的長壽命鍆同位素（鍆-255、鍆-257）在美國橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory）和法國格勒諾布林的勞厄-朗之萬研究所（Institut Laue-Langevin）以皮克級的量產生。

他們的研究結果揭示了鍆同位素在中子數152前後核電荷半徑的變化，呈現出穩定且均勻的增長。

歐洲核子研究中心（CERN）的研究員傑西卡·瓦爾比內克（Jessica Warbinek）博士表示：「我們的實驗結果以及運用現代理論方法的解讀表明，在鍆原子核中，核殼層效應對核電荷半徑的影響較小，而對這些原子核的結合能有很強的影響。」

「研究結果證實了理論預測，即由少數個別中子和質子引起的區域性殼層效應，在原子核質量增加時影響力會降低。」

「相反，由所有核子整體產生的效應起主導作用，此時原子核更像是一個帶電的液滴。」

研究結果發表在《自然》（Nature）期刊上。

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J. Warbinek 等人，2024年。鍆電荷半徑的平滑趨勢及殼層效應的影響。《自然》634卷，1075 - 1079頁；doi: 10.1038/s41586 - 024 - 08062 - z