一个古老而神秘的粒子，它是如何形成的？

1. 它被研究了一百多年

在当前的核物理研究中，寻找和合成极端条件下的原子核是一个重要的课题。许多新发现的核结构现象，只有在极端缺中子或者丰中子的原子核中才能够显现出来。

而当我们想去了解这些原子核（尤其是比铅-208重的原子核）时，“α衰变”是绕不开的一个话题。

α衰变，是一种放射性衰变，是重核和超重核的一种主要衰变模式。发生α衰变时，一个α粒子（即氦-4离子，由2个质子和2个中子组成的原子核）会自发地从原子核中射出。α衰变发生后，原子核的质量数会减少4个单位，其原子序数也会减少2个单位，原子核因此完成了“华丽变身”。

最早确认α粒子身份的是“原子核之父”卢瑟福。卢瑟福在1903年设计了一个“电磁偏转实验”。他利用金箔验电器检测α粒子，并初步确定了α粒子的性质：α衰变时，从较大的原子核里面逃跑出来的粒子是氦核。此后，卢瑟福对α粒子进行了不懈的研究，但他无法解释衰变发生的原因。

图 “原子核之父”卢瑟福（Ernest Rutherford） 图源| physicsworld

直到1928年，美籍俄裔物理学家伽莫夫等人用量子力学隧穿效应，成功地解释了原子核的α衰变问题。α粒子要逃出原子核时需要克服巨大的势垒。在经典力学中，粒子不可能越过比它能量更高的势垒。而在量子力学中，粒子就像拥有“穿墙术”，具有波动性，会有一定的概率穿出位垒，从而发射出去。

图 青年时代的伽莫夫（George Gamov） 图源| American Physical Society

现在，α衰变的物理过程一般可以看作由α粒子的预形成过程和α粒子的位垒穿透过程组成。前者反映了α粒子在原子核中形成的难易程度，并包含了所有的原子核结构信息，是当前实验和理论研究的焦点；而后者则可以由量子隧穿效应来成功解释。

α衰变规律，已经被科学家们研究了一百多年。但是，这个著名的科学问题，直到今天也没有被彻底解决。

原子核作为一个复杂的量子多体系统，核子和核子之间复杂的关联效应使人们至今无法从量子的微观机制来解释：α粒子究竟是如何在原子核中形成的？它的形成又受到哪些原子核结构性质的影响？

2. 发现目前最轻的铀同位素

这些问题吸引了核物理学家们的长期关注。4月14日，来自中国科学院近代物理研究所等机构的科研人员，以“编辑推荐”（Editors’Suggestion）的形式在Physical Review Letters上发表了一篇论文，将我们对α粒子形成物理机制的认知，又往前推进了一步。

在研究这个问题之前，科研人员有一个重要的发现。利用兰州重离子加速器的充气反冲核谱仪SHANS装置，他们在实验中发现了一个新核素——铀-214，它是目前已知的最轻的铀同位素。

铀是自然界中大量存在的最重的元素，它的所有的同位素都具有放射性。有些铀同位素的半衰期非常长，可达45亿年，和地球的年龄相当。你听过的最有名的铀同位素可能是铀-235（半衰期7亿年），它可以作为目前核动力的燃料。

与能在自然界存在的铀-235不同，铀-214是在实验室合成出来的，比铀-235少了21个中子，而且半衰期非常短，只有0.5毫秒，眨眨眼就会错过它。

通过开展α衰变谱学的关联测量，研究者们得到了铀-214、铀-216、铀-218的α衰变能、半衰期等信息。这三个核素是目前已知的铀同位素中最轻的偶偶核。

图 铀-214、铀-216、铀-218是目前已知的铀同位素中最轻的偶偶核 图源| APS/Carin Cain

研究者们观察到了新核素铀-214的两条α衰变链，并且还发现它是目前SHANS谱仪上合成的新核素中反应截面最低的原子核。也就是说，我们与这位铀家族新成员的“见面概率”非常非常小，要一睹它的真容并不容易。

图 实验测量的新核素铀-214的两条α衰变链 图源| Physical Review Letters

3. 突然增强的质子-中子相互作用

α衰变谱学不仅可以用来鉴别重核和超重核素，也是研究原子核结构信息的有效方法。

质子-中子相互作用，作为一种重要的核子-核子相互作用，对理解远离稳定线原子核的核结构性质起着至关重要的作用，是原子核壳结构演化、集体性和形状变化的主要驱动力。

近几十年来，科学家们在轻核区发现的原子核幻数产生或消失的现象大多数都与质子-中子相互作用息息相关。

然而，在重核区，尤其是在中子壳N = 126附近的轻锕系核区，关于质子-中子相互作用导致原子核结构变化的实验证据还非常有限。

这次发现的新核素铀-214，就位于N = 126附近的轻锕系核区。回到文章开头的那个著名的科学问题，通过研究铀-214和它附近核素的原子核结构信息，或许可以让我们更加接近答案。

根据新测量的实验数据，研究者们提取了被称为“α衰变约化宽度”的物理量，它可以用来定性地刻画原子核中α粒子预形成的难易程度，进而反映原子核的结构信息。

研究发现，质子-中子相互作用在N < 126偶偶核α衰变中起着关键作用，相互作用越强，约化衰变宽度也越大，因此α粒子的预形成几率也越大。

更有趣的是，研究者们提取的铀-214、铀-216的α衰变宽度，明显偏离了系统性趋势，大约是已知钋-钍核素衰变宽度的两倍。在大规模壳模型理论计算的支持下，这种奇特的α衰变宽度增强效应，被成功地解释为质子和中子间相互作用突然增强的结果。

图 铀-214、铀-216中质子-中子相互作用导致α粒子形成几率增强的示意图 图|张志远

而这种强的质子-中子相互作用，导致α衰变中α粒子预形成几率显著增强的实验现象，在重核区尚属首次被发现。这也预示着在极端缺中子的超铀核区（质子数大于92, 中子数小于126）存在类似的效应，将促使我们更加深入地理解原子核α衰变过程中α粒子预形成的物理机制。

美国物理学会的《Physics》杂志，在这篇论文在线发表当天进行了报道，文章结尾写道：

"This stronger interaction affects the formation of alpha particles in the nucleus, a complex quantum many-body problem whose details are still unknown."

虽然仍有很多未知，但我们总归又前进了一小步。正是科学家们一点一滴的进步，使得我们对这个古老而又神秘的α粒子，又有了新的认识。

而这正是科学研究的魅力所在，在未知的边界上一点点地开垦，不懈地探索物质运行的基本规律，帮助我们更好地理解我们所身处的这个世界。

注：该工作主要由中科院近代物理所核物理中心新核素合成团队负责，联合同济大学、中科院理论物理所、中山大学、瑞典皇家理工学院、英国约克大学、北京大学、广西师范大学、南京航空航天大学、山东大学、辽宁师范大学等国内外11家单位共同完成。

感兴趣的话

请阅读论文原文吧

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.152502

参考文献：

1. 从α粒子的发现到散射实验[J]. 物理教学, 2010, 32(1): 2-4

2. 靳根明等. 原子核的前世今生[M]. 兰州: 甘肃科学技术出版社, 2020. 73-74

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