研究人员用激光研究100号元素Fermium的核特性

化学元素周期表的终点在哪里，哪些过程导致了重元素的存在？ 一个国际研究小组报告了在 GSI/FAIR 加速器设施和约翰内斯-古腾堡大学（Johannes Gutenberg University Mainz）为接近答案而进行的实验。

他们深入了解了具有不同中子数的Fermium（100 号元素）原子核的结构。 利用前沿激光光谱技术，他们追踪了核电荷半径的演变，发现随着中子加入原子核，核电荷半径稳步增加。 这表明局部核壳效应对这些重核的核电荷半径的影响减弱了。 研究结果发表在科学杂志《自然》上。

铀（92号元素）以外的元素，例如Fermium（100号元素），并不天然存在于地壳中。 因此，要对它们进行研究，就必须人工生产它们。 它们从天然存在的最重元素过渡到所谓的超重元素，从第 104 号元素开始。 超重元素的存在归功于稳定的量子力学壳效应，它增加了约千分之二的总核结合能。 尽管贡献很小，但它在抵消许多带正电的质子之间的排斥力方面起着决定性作用。

原子核的组成部分--质子和中子共同组成了原子核，它们所引起的量子力学效应可以用核壳模型来解释。 与原子类似，充满电子外壳的原子核具有化学稳定性和惰性，而充满核外壳（包含所谓"神奇"数量的质子/中子）的原子核则表现出更高的稳定性。 因此，它们的核结合能和寿命也会增加。 众所周知，在较轻的原子核中，填充核壳也会影响核电荷半径的变化趋势。

利用激光光谱方法可以分析原子结构的微妙变化，进而提供有关核特性的信息，如核电荷半径，即原子核中质子的分布。 对中子数不同的同种元素的多个原子核进行的研究表明，除非跨越一个神奇的数字，否则该半径会稳步增加。 然后，会观察到一个扭结，因为在外壳闭合处，径向增加的斜率发生了变化。 这种效应适用于较轻的球形原子核直至铅。

重原子核核结构的新见解

"我们使用激光方法研究了拥有 100 个质子和 145 至 157 个中子的Fermium原子核。 具体来说，我们研究了量子力学壳效应对原子核大小的影响。 这使得我们能够从一个新的角度来揭示这些原子核在中子数 152 时已知壳效应附近范围内的结构，"GSI/FAIR 实验发言人 Sebastian Raeder 博士解释说。"在这个中子数下，中子壳闭合的特征以前曾在核结合能的趋势中观察到过。 2012年，在GSI/FAIR进行的高精度质量测量测量了壳效应的强度。 根据爱因斯坦的观点，质量等同于能量，因此这些质量测量提示了壳效应提供的额外结合能。 中子数 152 左右的原子核是进行更深入研究的理想试验台，因为它们的形状恰好更像橄榄球，而不是球形。 这种变形使得原子核中的许多质子之间的距离比球形原子核更远"。

在本次测量中，来自7个国家的27个研究机构组成的国际合作小组采用不同的Fermium同位素生产方法和激光光谱技术应用方法的发展，对寿命从几秒到一百天不等的Fermium同位素进行了研究。 短寿命同位素是在 GSI/FAIR 加速器设施中产生的，在某些情况下，每分钟只有几个原子可用于实验。 为了对它们进行探测，研究人员采用了一种量身定制的激光光谱法，这种方法是几年前为测量锘同位素而开发的。 产生的原子核在氩气中停止并拾取电子，形成中性原子，然后用激光进行探测。

富中子、长寿命的Fermium同位素（Fermium-255、Fermium-257）是在美国橡树岭国家实验室和法国格勒诺布尔 Laue-Langevinat 研究所生产的，数量为皮克级。 样品的放射化学制备在约翰内斯-古腾堡大学（JGU）进行。 随后采用另一种方法，将样品在储液器中蒸发，并在真空中用激光进行检测。

适当波长的激光可将Fermium原子中的一个电子提升到更高的轨道上，然后将其从原子中完全移除，形成Fermium离子，从而可对其进行有效检测。 这种分步式离子形成过程所需的确切能量随中子数而变化。 通过测量激发能量的微小变化，可以获得原子核大小变化的相关信息。

宏观特性占主导地位

研究深入了解了Fermium同位素的核电荷半径在中子数 152 范围内的变化，并显示出稳定、均匀的增长。 将实验数据与国际合作伙伴利用现代理论核物理模型进行的各种计算结果进行比较，可以解释潜在的物理效应。 尽管计算方法不同，但发现所有模型之间以及与实验数据之间都非常一致。

"我们的实验结果以及用现代理论方法对这些结果的解释表明，在Fermium核中，核壳效应对核电荷半径的影响减弱了，而对这些原子核的结合能的影响却很大，"实验时就读于 GSI/FAIR 和 JGU 的博士生、该论文的第一作者 Jessica Warbinek 博士说。"实验结果证实了理论预测：当核质量增加时，由少数单个中子和质子引起的局部壳效应将失去影响力。 相反，应归因于所有核子的全集合的效应占主导地位，核子更像是带电的液滴。"

该方法在实验上的改进为进一步对中子数 152 前后区域的重元素进行激光光谱研究铺平了道路，也代表着向更好地理解重元素和超重元素的稳定过程迈出了一步。 正在进行的研究有望在未来的研究中揭示核壳结构的微弱效应，而这正是已知最重元素存在的核心所在。