剑侠盟·网游特攻队

原子核并非总是球形：揭秘原子核的奇特形状之谜

自1911年原子核的概念首次被提出以来，物理学家们一直简单地认为它是球形的。但原子核真的是球形的吗？直观上，这种形状似乎很合理，物理学家也认为它能够很好地解释早期对原子核性质的测量结果。直到多年以后，才开始出现更复杂情况的初步证据。

首先，让我们来探索一下原子的结构。原子核是由原子中心的质子和中子组成的，它比整个原子小10000倍，英国约克大学的核物理学家David Jenkins说，原子核“就像大教堂里的一只苍蝇”。尽管原子核包含了原子绝大部分的质量，但乍一看，它对原子的性质几乎没有影响。原子的化学性质是由电子排布决定的，而任何物理特性都来自于它与其他原子的相互作用。

与原子物理学中电子壳层的概念类似，1949年，科学家们提出了核壳层模型：质子和中子位于不同的核壳层中，额外的能量输入可以激发这些粒子在固定的能级之间跳跃。“但后来，很明显，原子核中的大多数行为都可以用你所说的集体行为来描述——它作为一个连贯的整体来行动，”Jenkins告诉Live Science。其结果是，整个原子核可以表现出两种类型的性质：它可以旋转，也可以振动。

光谱方法可以检测到大多数分子中的这种旋转，测量不同旋转能级的指纹。但是球形物体无论朝哪个方向转动看起来都一样，因此对称系统（如原子）不会产生光谱。

“在原子核中看到旋转证据的唯一方法是原子核发生形变，”Jenkins解释说。“人们观察到原子核具有被称为旋转带的激发模式，这表明原子核发生了形变。”

自从20世纪50年代这一惊人的发现以来，有针对性的实验揭示了一系列原子核形状，从梨形到M&M豆形——而圆形在很大程度上是一个例外，而不是规则。大约90%的原子核在其最低能量状态下都像一个橄榄球——技术上称为“长椭球形变”，而呈现相反的扁球形、类似M&M豆形状的原子核则出人意料地少，这种形状被称为扁椭球形变。

“我们不知道为什么这种长椭球形似乎比扁椭球形更受欢迎，”Jenkins说。“一些原子核也具有多种形状，因此它们可以在基态下呈现一种形状，然后你向它们注入一些能量，它们就会变形为另一种形状。”

更奇特的梨形原子核仅限于核图的某些区域，特别是在镭附近，而球形原子核通常局限于具有“幻数”（或满壳层）的核粒子的原子。但是什么导致了形变呢？

“感觉上，一个没有被激发、摇晃或拉伸的物体的基本形状应该是球形的，这很直观，”英国萨里大学的核物理学家Paul Stevenson说。“但实际上，就原子核而言，令人惊讶的是，它们中的任何一个是球形的，因为它们遵守量子力学定律。”

薛定谔方程——量子力学最基本的原理之一——在数学上预测了一个物体的波函数如何随时间变化，本质上提供了一种估计该物体可能运动和位置的方法。因此，求解原子核的薛定谔方程可以得到一个概率云，代表它所有可能存在的位置，这些位置共同构成了原子核的形状。

“薛定谔方程的基本解看起来不是球形的——你会得到这些形状，它们有点像在一个圆圈里运动，但随后它们开始波动，”Stevenson解释说。“因此，由于这些量子波函数解本身具有不对称性，这使得原子核中的粒子更有可能指向一个方向。”

对于罕见的球形原子核，这种波动恰好会抵消。但是科学家们还不理解为什么——或者是否存在一个原因——为什么这些变形的形状比其他形状更常见。

“这正在颠覆一种传统，”Jenkins说。“这与人们最初感知原子核的方式完全相反，而且仍然有很多悬而未决的问题。”

（背景延伸：原子核物理是研究原子核的结构、性质以及核反应的规律的学科。原子核由质子和中子组成，它们之间的相互作用力称为核力。由于核力的复杂性，原子核的结构和性质的研究非常具有挑战性。近年来，随着实验技术和理论模型的不断发展，人们对原子核的认识不断深入。—— 来源：《中国物理C》）

返回搜狐，查看更多