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超越認(rèn)知邊界!中國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)最輕鋁同位素

  科普中國(guó)   2025-08-22 16:51:12

每天,我們都在與鋁打交道。廚房里的鋁箔、手中的易拉罐、窗外的鋁合金門(mén)窗……這些日常用品中的鋁,都是自然界中唯一穩(wěn)定存在的鋁同位素——鋁-27。

然而,在鋁元素的家族里,還隱藏著一些“轉(zhuǎn)瞬即逝”的成員。2025年7月,中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所的科研團(tuán)隊(duì)與國(guó)內(nèi)外合作者一起,首次捕捉到了一個(gè)極其罕見(jiàn)的現(xiàn)象:新發(fā)現(xiàn)的最輕鋁同位素——鋁-20原子核通過(guò)釋放三個(gè)質(zhì)子的方式進(jìn)行衰變。

這就像在微觀世界的盡頭,原子核正在上演一場(chǎng)前所未有的“逃逸游戲”——脆弱的鋁-20以驚人的方式掙脫束縛,完成蛻變。這一發(fā)現(xiàn)不僅刷新了我們對(duì)鋁元素的認(rèn)知,更為探索原子核存在的極限打開(kāi)了新的窗口。

從廚房鋁箔到核物理前沿:同位素的奇妙世界

在日常生活中廚房用具常見(jiàn)的穩(wěn)定同位素鋁-27、脆弱的鋁-20中,“27”“20”這些數(shù)字代表著什么呢?

穩(wěn)定同位素鋁-27中的“27”就表示鋁原子核中質(zhì)子和中子的總數(shù):13個(gè)質(zhì)子(這決定了它是鋁元素)加上14個(gè)中子。

但在核物理學(xué)家的世界里,鋁元素遠(yuǎn)不止這一種形態(tài)。就像氫元素?fù)碛须?個(gè)質(zhì)子)、氘(1質(zhì)子+1中子)、氚(1質(zhì)子+2中子)這“三兄弟”一樣,鋁元素也存在著一個(gè)龐大的同位素家族。

通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室中人工制造,科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了從鋁-21到鋁-43的二十多種鋁同位素。它們都有著相同的質(zhì)子數(shù)(13個(gè)),但中子數(shù)各不相同。就像同一個(gè)家族的兄弟姐妹,雖然都姓“鋁”,但卻各有各的特點(diǎn)。

氫元素的三種天然同位素

(圖片來(lái)源:維基百科 Dirk Hünniger)

這些人造的鋁同位素都是不穩(wěn)定的,會(huì)通過(guò)各種方式發(fā)生放射性衰變。越是遠(yuǎn)離穩(wěn)定的鋁-27,它們就越不穩(wěn)定,存在的時(shí)間也越短。作為其中最新發(fā)現(xiàn)的成員,鋁-20比它性質(zhì)穩(wěn)定的“兄弟”——鋁-27少了整整7個(gè)中子,從原子結(jié)構(gòu)上來(lái)看,它就像一座搖搖欲墜的積木塔,隨時(shí)可能崩塌。

質(zhì)子滴線:原子核世界的懸崖邊緣

要理解鋁-20的特殊性,我們需要先了解一個(gè)概念——質(zhì)子滴線。想象一下,如果把所有已知的原子核按照質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)排列在一張圖上(稱(chēng)為核素圖),穩(wěn)定的原子核會(huì)聚集在中間形成一條“穩(wěn)定谷”。而在這個(gè)谷的兩側(cè),越往左右兩邊推進(jìn),同位素的原子核就越來(lái)越不穩(wěn)定。

核素圖(示意圖)

(圖片來(lái)源:澳大利亞國(guó)立大學(xué)物理研究院)

當(dāng)原子核中的中子數(shù)過(guò)少時(shí)(對(duì)應(yīng)核素圖的左側(cè)),質(zhì)子之間的電磁排斥力會(huì)更加突出。原本來(lái)說(shuō),中子在原子核中扮演著“調(diào)和劑”的角色,通過(guò)強(qiáng)核力幫助克服質(zhì)子間的電磁排斥,產(chǎn)生一定的束縛作用,避免原子核解體。當(dāng)中子太少時(shí),這種平衡被打破,多余的質(zhì)子就會(huì)“滴落”出來(lái)。這條核素圖中的左側(cè)界限就是質(zhì)子滴線——原子核能夠束縛質(zhì)子的極限邊界。質(zhì)子滴線可以通過(guò)理論計(jì)算予以預(yù)測(cè),也可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量。理論值和預(yù)測(cè)值有時(shí)會(huì)產(chǎn)生差異,鋁-20就是很好的例子。

鋁-20恰好位于理論滴線之外,按照傳統(tǒng)認(rèn)識(shí),它應(yīng)該是一個(gè)無(wú)法存在的質(zhì)子非束縛核——一旦形成就會(huì)立即發(fā)射質(zhì)子而衰變。然而令人驚訝的是,科學(xué)家確實(shí)制造出了鋁-20。雖然它只能存活不到一萬(wàn)億分之一秒,但這個(gè)極短的壽命已經(jīng)足夠讓研究人員觀測(cè)到它獨(dú)特的三質(zhì)子發(fā)射衰變模式。

這一發(fā)現(xiàn)的意義遠(yuǎn)超出簡(jiǎn)單地將鋁元素質(zhì)子滴線的實(shí)驗(yàn)邊界從鋁-21推進(jìn)到鋁-20。它揭示了一個(gè)重要現(xiàn)象:即使是理論上不應(yīng)該存在的質(zhì)子非束縛核,也可能因?yàn)樘厥獾乃プ兟窂健热缧枰瑫r(shí)發(fā)射多個(gè)質(zhì)子而獲得可測(cè)量的壽命。這不僅豐富了我們對(duì)核穩(wěn)定性邊界的理解,也提醒我們:在極端條件下,原子核可能展現(xiàn)出超越傳統(tǒng)理論框架的奇特行為。

核素圖局部(放大了核素圖的左下角,其中黑色部分是穩(wěn)定同位素,其余不穩(wěn)定同位素的放射性衰變方式見(jiàn)圖例),可見(jiàn)之前觀測(cè)到的最輕鋁同位素是鋁-21

(圖片來(lái)源:維基百科)

鋁-20的三質(zhì)子發(fā)射:俄羅斯套娃式的級(jí)聯(lián)衰變

原子核的衰變就像是一場(chǎng)精心編排的舞蹈。最常見(jiàn)的衰變方式包括α衰變(釋放出2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子組成的氦核)、β衰變(中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子,釋放出電子)等。這些“經(jīng)典舞步”早在20世紀(jì)上半葉就被科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)并理解。

但隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步,科學(xué)家們?cè)跇O端不穩(wěn)定的原子核中發(fā)現(xiàn)了更多“新舞步”。1970年代,首次觀測(cè)到單個(gè)質(zhì)子的發(fā)射;2002年,發(fā)現(xiàn)了同時(shí)發(fā)射兩個(gè)質(zhì)子的現(xiàn)象;近年來(lái),三質(zhì)子、四質(zhì)子甚至五質(zhì)子發(fā)射也相繼被發(fā)現(xiàn)。

三質(zhì)子發(fā)射極其稀有,就像三個(gè)舞者要在同一時(shí)刻、以完美的配合跳出舞臺(tái)。在已知的3300多種核素中,只有極少數(shù)會(huì)發(fā)生這種衰變。而鋁-20的三質(zhì)子發(fā)射更是獨(dú)特——它采用了一種“分步走”的策略。

鋁-20的衰變過(guò)程堪稱(chēng)核物理版的“俄羅斯套娃”。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)精密的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),鋁-20并不是一次性釋放三個(gè)質(zhì)子,而是采用了一種巧妙的兩步策略。

第一步,鋁-20(13個(gè)質(zhì)子+7個(gè)中子)先釋放出一個(gè)質(zhì)子,變成鎂-19(12個(gè)質(zhì)子+7個(gè)中子)。這個(gè)過(guò)程極其迅速,幾乎在鋁-20形成的瞬間就發(fā)生了。

第二步更加精彩。鎂-19本身也是一個(gè)極不穩(wěn)定的原子核,它會(huì)立即通過(guò)雙質(zhì)子發(fā)射的方式衰變——同時(shí)釋放出兩個(gè)質(zhì)子,最終變成氖-17(10個(gè)質(zhì)子+7個(gè)中子)。

這種“質(zhì)子—雙質(zhì)子”的級(jí)聯(lián)衰變模式,就像打開(kāi)一個(gè)俄羅斯套娃,里面還藏著另一個(gè)會(huì)“爆炸”的套娃。鋁-20因此成為實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)具有雙質(zhì)子放射性“子核”的三質(zhì)子發(fā)射核。

鋁-20基態(tài)通過(guò)級(jí)聯(lián)的質(zhì)子-雙質(zhì)子發(fā)射的兩步過(guò)程進(jìn)行衰變。作為中間態(tài)的鎂-19基態(tài)具有雙質(zhì)子放射性,通過(guò)同時(shí)發(fā)射兩個(gè)質(zhì)子衰變?yōu)槟?17

(圖片來(lái)源:參考文獻(xiàn)[1])

“飛行中衰變”:科學(xué)家如何捕捉瞬間即逝的鋁-20?

要研究只能存活不到一萬(wàn)億分之一秒的原子核,需要極其精巧的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)??蒲袌F(tuán)隊(duì)在德國(guó)亥姆霍茲重離子研究中心,利用了一種叫做“飛行中衰變”的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

整個(gè)過(guò)程就像是一場(chǎng)高速公路上的追車(chē)戲。首先,科學(xué)家們用高能粒子束轟擊目標(biāo),產(chǎn)生各種碎片,其中就包括鋁-20。這些碎片以接近光速的速度飛行,通過(guò)磁場(chǎng)的篩選,不同的碎片會(huì)沿著不同的軌道前進(jìn)。

鋁-20在飛行過(guò)程中迅速衰變,釋放出的三個(gè)質(zhì)子和剩余的氖-17核會(huì)像煙花一樣向不同方向散開(kāi)。通過(guò)精密的探測(cè)器陣列,科學(xué)家們可以同時(shí)捕捉到所有衰變產(chǎn)物的軌跡和能量,就像在高速攝影中定格住煙花綻放的瞬間。

最關(guān)鍵的是測(cè)量這些粒子之間的“角關(guān)聯(lián)”——它們飛行方向之間的夾角關(guān)系。這些角度信息就像是犯罪現(xiàn)場(chǎng)留下的線索,可以幫助科學(xué)家們重建衰變的完整過(guò)程,推斷出鋁-20采用的是級(jí)聯(lián)衰變而非直接的三質(zhì)子發(fā)射。

探索極限:尋找原子核存在的邊界

鋁-20的發(fā)現(xiàn)不僅僅是在鋁的同位素家族中增加了一個(gè)新成員,更重要的是它幫助我們理解原子核能夠存在的極限條件。每發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的滴線核,就像在未知的領(lǐng)域插上一面旗幟,標(biāo)記出核物質(zhì)存在的邊界。

這項(xiàng)研究還展示了現(xiàn)代核物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)的威力。能夠制造、識(shí)別并研究只存在不到一萬(wàn)億分之一秒的原子核,這在幾十年前是完全不可想象的。正是這些精密實(shí)驗(yàn)技術(shù)的突破,讓我們能夠不斷推進(jìn)對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)邊界。

更深層的意義在于,這些極端條件下的原子核研究,猶如在特殊的微觀實(shí)驗(yàn)室中開(kāi)展實(shí)驗(yàn),有助于我們理解宇宙中一些極端環(huán)境下的核過(guò)程。比如在中子星表面、超新星爆發(fā)過(guò)程中,可能就存在著類(lèi)似的奇特原子核和衰變過(guò)程。地球?qū)嶒?yàn)室中的轉(zhuǎn)瞬即逝的鋁-20,為解讀宇宙中的核合成過(guò)程提供了關(guān)鍵線索。

微觀世界的探險(xiǎn)仍在繼續(xù)

從1911年盧瑟福發(fā)現(xiàn)原子核至今,人類(lèi)對(duì)原子核的探索已經(jīng)走過(guò)了一個(gè)多世紀(jì)。但鋁-20的發(fā)現(xiàn)告訴我們,在這個(gè)小到難以想象的微觀世界里,仍然充滿了未知和驚喜。

每一個(gè)新發(fā)現(xiàn)的原子核,每一種新觀測(cè)到的衰變模式,都像是宇宙物質(zhì)拼圖中的一塊。當(dāng)我們收集到足夠多的拼圖塊時(shí),核物質(zhì)的完整圖景就會(huì)逐漸清晰。鋁-20及其奇特的三質(zhì)子發(fā)射,正是這幅宏大圖景中新增的一塊重要拼圖。

科學(xué)探索永無(wú)止境。在質(zhì)子滴線之外,在中子滴線附近,在超重元素區(qū)域,還有更多的未知等待著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。每一次突破都可能帶來(lái)對(duì)物質(zhì)本質(zhì)的新認(rèn)識(shí),每一個(gè)極限的探索都可能開(kāi)啟新的科學(xué)篇章。正如鋁-20向我們展示的那樣,即使是最不穩(wěn)定、最短命的放射性同位素,也能為人類(lèi)的知識(shí)寶庫(kù)貢獻(xiàn)獨(dú)特的價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

1.Xu, X-D., et al. “Isospin Symmetry Breaking Disclosed in the Decay of Three-Proton Emitter20 Al .”P(pán)hysical Review Letters135.2 (2025): 022502.

出品:科普中國(guó)

作者:李瑞(半導(dǎo)體工程師)

監(jiān)制:中國(guó)科普博覽

責(zé)編:李傳新

一審:李傳新

二審:段涵敏

三審:楊又華

來(lái)源:科普中國(guó)

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