摘要：芬兰于韦斯屈莱大学领导的国际研究团队在核物理学领域取得重大突破，首次观测到一个包含85个质子和103个中子的砹原子核通过单质子发射的方式衰变。这一发现不仅创造了已知质子发射衰变中最重原子核的纪录，更令人惊讶的是，理论模型显示这个原子核呈现出类似西瓜的扁长球形结

这张人工智能插图展示了一个质子从砹原子核中射出的过程。 （于韦斯屈莱大学）

信息来源：https://www.sciencealert.com/watermelon-shaped-atom-seen-breaking-apart-in-a-most-unusual-way

芬兰于韦斯屈莱大学领导的国际研究团队在核物理学领域取得重大突破，首次观测到一个包含85个质子和103个中子的砹原子核通过单质子发射的方式衰变。这一发现不仅创造了已知质子发射衰变中最重原子核的纪录，更令人惊讶的是，理论模型显示这个原子核呈现出类似西瓜的扁长球形结构，为理解原子核内部的复杂相互作用提供了全新视角。

质子发射衰变是一种极其罕见的放射性衰变模式，通常只在极端不稳定的原子核中观察到。与常见的α衰变或β衰变不同，这种衰变方式直接释放单个质子，使原子核向相对稳定的状态迈进。研究成果已发表在《自然通讯》杂志上，为核物理学理论和实验技术的发展提供了重要推动力。

地球最稀有元素的极端特性

砹作为地球上最稀有的天然元素，其存在本身就是一个科学奇迹。这种元素仅以痕量形式出现在地壳中，主要作为更重元素衰变链的中间产物而短暂存在。据估算，全球任何时刻的砹总量都不超过1克，其稀有程度远超黄金、铂等贵金属。

砹的所有已知同位素都具有放射性，半衰期从几小时到几纳秒不等。这种极端的不稳定性使得砹的研究极具挑战性，需要专门的实验设备和精密的探测技术。正是这种稀有性和不稳定性，使得每一个新砹同位素的发现都具有重要的科学价值。

在本次研究中发现的砹-188同位素，是迄今为止发现的砹元素最轻的同位素。其独特的衰变方式——质子发射，在整个核物理学研究历史中极为罕见。研究团队首席研究员、芬兰于韦斯屈莱大学核物理学家赫娜·科科宁解释说："质子发射是一种非常特殊的放射性衰变形式，原子核通过发射单个质子来寻求更稳定的状态。"

粒子加速器中的核合成艺术

Henna Kokkonen 在于韦斯屈莱大学加速器实验室摆姿势。 （汤米·萨西/于韦斯屈莱大学）

创造和观测这种极端稀有的原子核需要尖端的实验技术。研究团队在于韦斯屈莱大学加速器实验室中，利用先进的回旋粒子加速器进行了这项实验。他们采用聚变蒸发反应的方法，用锶-84离子束轰击天然银靶材，在极短的时间内产生所需的砹-188原子核。

这种聚变蒸发反应是现代核物理学研究的重要工具。当两个较轻的原子核在高能条件下碰撞时，它们可能融合形成一个质量更大但极不稳定的复合原子核。这个复合原子核随后会通过发射中子、质子或其他粒子的方式"蒸发"掉多余的能量，最终形成相对稳定的产物。

于韦斯屈莱大学核物理学家卡尔·奥拉宁描述了实验的技术细节："我们使用充气反冲分离器来分离反应产生的残留物，然后通过高精度光谱仪和探测器阵列进行详细分析。"这套复杂的实验装置能够在纳秒级的时间尺度内捕捉和分析原子核的衰变过程。

理论模型揭示"西瓜形"结构

实验数据的分析需要复杂的理论模型支持。研究团队扩展了核物理学中的非绝热准粒子模型，这是一个专门用来描述变形原子核结构和动力学行为的理论框架。当他们将实验观测到的衰变率输入模型进行计算时，得出了一个令人惊讶的结果。

理论计算表明，砹-188原子核的形状是一个扁长球体，其极轴长度超过了赤道直径，呈现出类似西瓜的形状。这种形变结构在原子核物理学中并不常见，它暗示着原子核内部存在着复杂而独特的力学平衡。

在传统的原子核模型中，大多数原子核要么呈现球形，要么呈现类似橄榄球的扁球形。砹-188的"西瓜形"结构代表了一种新的原子核几何构型，这种构型的形成机制目前还不完全清楚，但它明显与核内质子和中子的特殊排列方式有关。

科科宁指出："原子核表现出的这种性质表明，价质子的结合能存在趋势性变化。这种现象可能需要用重核中前所未有的相互作用来解释。"这一发现不仅挑战了现有的核结构理论，也为研究超重元素的性质提供了新的线索。

质子发射机制的深层奥秘

质子发射衰变的发现对理解原子核稳定性具有重要意义。在正常情况下，原子核中的质子和中子通过强核力紧密结合在一起。然而，当质子数量过多时，库仑斥力开始占主导地位，使得原子核变得极不稳定。

在砹-188的情况下，85个质子产生的电磁斥力超过了强核力的束缚能力，导致原子核表面的质子获得足够的能量逃逸出去。这个过程类似于α衰变，但更加直接和简单——只有单个质子被发射出来，而不是由两个质子和两个中子组成的α粒子。

有趣的是，质子发射的方向性与原子核的变形形状密切相关。理论分析显示，质子最容易从原子核的"尖端"区域发射出来，这正好对应于"西瓜形"结构的极轴方向。这种几何效应进一步证实了原子核形变与衰变模式之间的内在联系。

探索物质极限的科学意义

这项研究的意义远超出了对单一原子核的认识。它代表了人类对物质存在极限的不断探索，为理解宇宙中元素的形成和演化提供了基础数据。在恒星内部的极端环境中，类似的核反应过程可能参与了重元素的合成。

从技术应用角度来看，对极端原子核性质的研究有助于改进核能技术和医学同位素生产。砹的某些同位素在癌症治疗中具有潜在应用价值，特别是在靶向放射治疗方面。深入理解砹原子核的性质有助于优化这些同位素的生产和使用。

研究团队表示，他们计划进一步研究砹-189等其他未知砹同位素的性质。科科宁强调："研究目前未知的砹-189原子核的衰变同样令人兴奋，它可能也会表现出质子发射衰变的特征。"

这类研究还推动了实验技术的发展。为了观测如此短暂和稀有的原子核，科学家们必须不断改进探测器的灵敏度和时间分辨率，这些技术进步往往会在其他科学领域找到应用。

随着实验技术的不断提升和理论模型的日益完善，科学家们有望发现更多具有奇特性质的原子核，进一步揭示物质世界的基本规律。砹-188的发现只是这一探索过程中的一个里程碑，它预示着核物理学领域还有更多令人惊奇的发现等待着我们。

来源：人工智能学家