原子核為何不是圓的？揭開量子世界的形狀之謎

教科書裡常把原子核畫成圓形，但真相是：它們幾乎都不是完美的球體。1911年原子核概念提出時，物理學家很自然地假設它是圓的——這個直覺性的形狀似乎能完美解釋早期測量到的核子特性。然而隨著時間推移，更複雜的真相逐漸浮出水面。

讓我們先認識原子結構。英國約克大學核物理學家大衛·詹金斯形容：「原子核就像大教堂裡的一隻蒼蠅」，由質子和中子組成的這個微小核心，尺寸僅有整個原子的萬分之一。雖然集中了原子絕大部分質量，但乍看之下，核子對原子特性的影響微乎其微——化學性質取決於電子組態，物理特性則來自與其他原子的互動。

1949年科學家提出「核殼層模型」，類似原子物理中的電子軌域概念：質子與中子分居不同核殼層，需要額外能量才能在固定能級間躍遷。但詹金斯向《Live Science》透露：「後來發現，核子行為多半呈現『集體運動』特徵，就像一個協調的整體。」這使得原子核能表現兩種特性：旋轉或振動。

「要觀測核子旋轉，前提是核子必須變形。」詹金斯解釋：「當科學家發現核子存在『旋轉能帶』這種激發模式時，就證明核子確實會變形。」1950年代這項驚人發現後，針對性實驗陸續揭露各種核子形狀，從西洋梨到M&M巧克力——完美的球形反而是例外。

約90%的原子核在最低能態時呈美式足球般的「長球形變」（prolate deformed），相反地「扁球形變」（oblate deformed）的核子卻少得出奇。詹金斯坦言：「我們仍不明白為何長球形比扁球形更常見。有些核子甚至具備多重形狀，基態時呈現一種，獲得能量後又變形成另一種。」

更奇特的西洋梨形核子僅出現在核圖表特定區域（特別是鐳元素附近），而球形核子通常局限於具有「魔數」（完整殼層）核粒子的原子。英國薩里大學核物理學家保羅·史蒂文森指出：「直覺上，未受激發的物體本該是球形。但實際上，遵守量子力學的核子若呈現球形，反而令人意外。」

量子力學基石「薛丁格方程式」透過波函數預測物體隨時間的變化，求解原子核時會得出機率雲分佈，這些可能位置的總和就構成核子形狀。史蒂文森說明：「薛丁格方程式的基本解本身就不對稱，這些量子波函數解會使核子粒子更傾向特定方向。」至於少數球形核子，其波函數的波動剛好相互抵消。

「這完全顛覆了傳統認知。」詹金斯總結：「人們對核子的原始理解被徹底推翻，而這個領域仍有許多未解之謎。」