超越认知边界！中国科学家发现最轻铝同位素

每天，我们都在与铝打交道。厨房里的铝箔、手中的易拉罐、窗外的铝合金门窗……这些日常用品中的铝，都是自然界中唯一稳定存在的铝同位素——铝-27。

然而，在铝元素的家族里，还隐藏着一些“转瞬即逝”的成员。2025年7月，中国科学院近代物理研究所的科研团队与国内外合作者一起，首次捕捉到了一个极其罕见的现象：新发现的最轻铝同位素——铝-20原子核通过释放三个质子的方式进行衰变。

这就像在微观世界的尽头，原子核正在上演一场前所未有的“逃逸游戏”——脆弱的铝-20以惊人的方式挣脱束缚，完成蜕变。这一发现不仅刷新了我们对铝元素的认知，更为探索原子核存在的极限打开了新的窗口。

从厨房铝箔到核物理前沿：同位素的奇妙世界

在日常生活中厨房用具常见的稳定同位素铝-27、脆弱的铝-20中，“27”“20”这些数字代表着什么呢？

稳定同位素铝-27中的“27”就表示铝原子核中质子和中子的总数：13个质子（这决定了它是铝元素）加上14个中子。

但在核物理学家的世界里，铝元素远不止这一种形态。就像氢元素拥有氕（1个质子）、氘（1质子+1中子）、氚（1质子+2中子）这“三兄弟”一样，铝元素也存在着一个庞大的同位素家族。

通过在实验室中人工制造，科学家们已经发现了从铝-21到铝-43的二十多种铝同位素。它们都有着相同的质子数（13个），但中子数各不相同。就像同一个家族的兄弟姐妹，虽然都姓“铝”，但却各有各的特点。

氢元素的三种天然同位素

（图片来源：维基百科 Dirk Hünniger）

这些人造的铝同位素都是不稳定的，会通过各种方式发生放射性衰变。越是远离稳定的铝-27，它们就越不稳定，存在的时间也越短。作为其中最新发现的成员，铝-20比它性质稳定的“兄弟”——铝-27少了整整7个中子，从原子结构上来看，它就像一座摇摇欲坠的积木塔，随时可能崩塌。

质子滴线：原子核世界的悬崖边缘

要理解铝-20的特殊性，我们需要先了解一个概念——质子滴线。想象一下，如果把所有已知的原子核按照质子数和中子数排列在一张图上（称为核素图），稳定的原子核会聚集在中间形成一条“稳定谷”。而在这个谷的两侧，越往左右两边推进，同位素的原子核就越来越不稳定。

核素图（示意图）

（图片来源：澳大利亚国立大学物理研究院）

当原子核中的中子数过少时（对应核素图的左侧），质子之间的电磁排斥力会更加突出。原本来说，中子在原子核中扮演着“调和剂”的角色，通过强核力帮助克服质子间的电磁排斥，产生一定的束缚作用，避免原子核解体。当中子太少时，这种平衡被打破，多余的质子就会“滴落”出来。这条核素图中的左侧界限就是质子滴线——原子核能够束缚质子的极限边界。质子滴线可以通过理论计算予以预测，也可以通过实验进行测量。理论值和预测值有时会产生差异，铝-20就是很好的例子。

铝-20恰好位于理论滴线之外，按照传统认识，它应该是一个无法存在的质子非束缚核——一旦形成就会立即发射质子而衰变。然而令人惊讶的是，科学家确实制造出了铝-20。虽然它只能存活不到一万亿分之一秒，但这个极短的寿命已经足够让研究人员观测到它独特的三质子发射衰变模式。

这一发现的意义远超出简单地将铝元素质子滴线的实验边界从铝-21推进到铝-20。它揭示了一个重要现象：即使是理论上不应该存在的质子非束缚核，也可能因为特殊的衰变路径——比如需要同时发射多个质子而获得可测量的寿命。这不仅丰富了我们对核稳定性边界的理解，也提醒我们：在极端条件下，原子核可能展现出超越传统理论框架的奇特行为。

核素图局部（放大了核素图的左下角，其中黑色部分是稳定同位素，其余不稳定同位素的放射性衰变方式见图例），可见之前观测到的最轻铝同位素是铝-21

（图片来源：维基百科）

铝-20的三质子发射：俄罗斯套娃式的级联衰变

原子核的衰变就像是一场精心编排的舞蹈。最常见的衰变方式包括α衰变（释放出2个质子和2个中子组成的氦核）、β衰变（中子转变为质子，释放出电子）等。这些“经典舞步”早在20世纪上半叶就被科学家们发现并理解。

但随着实验技术的进步，科学家们在极端不稳定的原子核中发现了更多“新舞步”。1970年代，首次观测到单个质子的发射；2002年，发现了同时发射两个质子的现象；近年来，三质子、四质子甚至五质子发射也相继被发现。

三质子发射极其稀有，就像三个舞者要在同一时刻、以完美的配合跳出舞台。在已知的3300多种核素中，只有极少数会发生这种衰变。而铝-20的三质子发射更是独特——它采用了一种“分步走”的策略。

铝-20的衰变过程堪称核物理版的“俄罗斯套娃”。研究团队通过精密的实验发现，铝-20并不是一次性释放三个质子，而是采用了一种巧妙的两步策略。

第一步，铝-20（13个质子+7个中子）先释放出一个质子，变成镁-19（12个质子+7个中子）。这个过程极其迅速，几乎在铝-20形成的瞬间就发生了。

第二步更加精彩。镁-19本身也是一个极不稳定的原子核，它会立即通过双质子发射的方式衰变——同时释放出两个质子，最终变成氖-17（10个质子+7个中子）。

这种“质子—双质子”的级联衰变模式，就像打开一个俄罗斯套娃，里面还藏着另一个会“爆炸”的套娃。铝-20因此成为实验上发现的第一个具有双质子放射性“子核”的三质子发射核。

铝-20基态通过级联的质子-双质子发射的两步过程进行衰变。作为中间态的镁-19基态具有双质子放射性，通过同时发射两个质子衰变为氖-17

（图片来源：参考文献[1]）

“飞行中衰变”：科学家如何捕捉瞬间即逝的铝-20？

要研究只能存活不到一万亿分之一秒的原子核，需要极其精巧的实验设计。科研团队在德国亥姆霍兹重离子研究中心，利用了一种叫做“飞行中衰变”的实验技术。

整个过程就像是一场高速公路上的追车戏。首先，科学家们用高能粒子束轰击目标，产生各种碎片，其中就包括铝-20。这些碎片以接近光速的速度飞行，通过磁场的筛选，不同的碎片会沿着不同的轨道前进。

铝-20在飞行过程中迅速衰变，释放出的三个质子和剩余的氖-17核会像烟花一样向不同方向散开。通过精密的探测器阵列，科学家们可以同时捕捉到所有衰变产物的轨迹和能量，就像在高速摄影中定格住烟花绽放的瞬间。

最关键的是测量这些粒子之间的“角关联”——它们飞行方向之间的夹角关系。这些角度信息就像是犯罪现场留下的线索，可以帮助科学家们重建衰变的完整过程，推断出铝-20采用的是级联衰变而非直接的三质子发射。

探索极限：寻找原子核存在的边界

铝-20的发现不仅仅是在铝的同位素家族中增加了一个新成员，更重要的是它帮助我们理解原子核能够存在的极限条件。每发现一个新的滴线核，就像在未知的领域插上一面旗帜，标记出核物质存在的边界。

这项研究还展示了现代核物理实验技术的威力。能够制造、识别并研究只存在不到一万亿分之一秒的原子核，这在几十年前是完全不可想象的。正是这些精密实验技术的突破，让我们能够不断推进对物质结构的认识边界。

更深层的意义在于，这些极端条件下的原子核研究，犹如在特殊的微观实验室中开展实验，有助于我们理解宇宙中一些极端环境下的核过程。比如在中子星表面、超新星爆发过程中，可能就存在着类似的奇特原子核和衰变过程。地球实验室中的转瞬即逝的铝-20，为解读宇宙中的核合成过程提供了关键线索。

微观世界的探险仍在继续

从1911年卢瑟福发现原子核至今，人类对原子核的探索已经走过了一个多世纪。但铝-20的发现告诉我们，在这个小到难以想象的微观世界里，仍然充满了未知和惊喜。

每一个新发现的原子核，每一种新观测到的衰变模式，都像是宇宙物质拼图中的一块。当我们收集到足够多的拼图块时，核物质的完整图景就会逐渐清晰。铝-20及其奇特的三质子发射，正是这幅宏大图景中新增的一块重要拼图。

科学探索永无止境。在质子滴线之外，在中子滴线附近，在超重元素区域，还有更多的未知等待着我们去发现。每一次突破都可能带来对物质本质的新认识，每一个极限的探索都可能开启新的科学篇章。正如铝-20向我们展示的那样，即使是最不稳定、最短命的放射性同位素，也能为人类的知识宝库贡献独特的价值。

参考文献

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

出品：科普中国

作者：李瑞（半导体工程师）

审校：香港城市大学客座助理教授石巍

监制：中国科普博览