原子核内部也有“分子”结构

铍-10原子核基态的分子型结构。中国科学院近代物理研究所供图

■本报见习记者 叶满山 通讯员 李朋杰

各种各样的原子，通过排列和组合形成分子结构，进而塑造了万千世界。然而，直径只有原子万分之一的原子核内部，也存在类似分子的结构。

在一项近日发表于《物理评论快报》的研究中，科学家通过新颖的实验方法，首次发现在原子核基态中存在分子型结构，提供了迄今原子核基态中“集团化”的最清晰证据。

未被证实的猜想

原子核是由质子和中子等核子组成的量子多体系统。核子间的相互作用形成了多种有趣的原子核结构，从球形核到变形核，甚至是表面密度稀疏的中子晕核。在这些结构中，质子和中子聚集形成原子核内部的亚结构，这被科学家称为“集团”或“团簇”。

渺小的原子核处于许多不同的状态。其中能量最低的被称为“基态”，其他的被称为“激发态”。科学家认为集团结构主要出现在激发态中，尤其是在α共轭核中存在。α共轭核的质子和中子数量均为偶数且相等。α粒子由两个质子和两个中子组成，不仅具有较高的结合能，而且极其“懒惰”，使得α集团在核内形成，具有能量优势。

科学家已经通过实验，在一些特殊原子核的激发态中发现了不少集团结构的存在。那么，在原子核的基态中是否也存在类似的结构呢？

早在1938年，理论物理学家Hafstad和Teller通过分析α共轭核的结合能，发现α-α之间相互作用的能量近似常数，因此推测铍-8、碳-12、氧-16等原子核的基态中可能存在α分子型的集团结构。但后来由于经典壳模型的单粒子描述的流行，上述理论假设一直未能被证实。

一项新颖的实验

为此，中国科学院近代物理研究所联合香港大学、南京航空航天大学，法国巴黎-萨克雷大学，日本理化学研究所、大阪大学等国内外27家科研单位，在日本理化学研究所放射性核束工厂开展实验，通过逆运动学下的敲出反应，研究了铍-10的α集团结构。

实验中，0.5倍光速的铍-10次级束流轰击2毫米厚的固态氢靶，束缚在铍-10核中的α集团由质子敲出，几乎不转移任何动量给反应余核，使其保持了铍-10基态中的集团结构信息。实验结果表明，敲出反应的实验截面与微观模型下的理论预测吻合，从而验证了长期以来铍-10基态的分子态结构假设。

铍-10基态的物理图像类似于双原子分子，其中两个α粒子起原子的作用，而两个中子则像成对电子一样按轨道运动，形成了共价键。类似的结构可以在原子尺度上找到，但在原子核基态中非常罕见。

上述发现不仅打破了人们对原子核的传统认知，也为人们了解微观世界带来了全新视角。通过观察这种微小的“分子”结构，科学家可以更深入地探索核物质内部的奥秘，重新审视原子核内部的构造和力量。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.212501