深空天文探測(cè)器為何能用來研究原子的內(nèi)部核心結(jié)構(gòu)？

深空天文探測(cè)器“凝視”著原子的核心

“康普頓相機(jī)最初是為太空觀測(cè)而開發(fā)的，現(xiàn)在已經(jīng)證明了它這個(gè)工具，也具備解決其他領(lǐng)域復(fù)雜科學(xué)問題的價(jià)值?！?/p>

圖解：上邊是康普頓相機(jī)，最初設(shè)計(jì)其應(yīng)用在宇宙尺度上來研究宇宙。

圖源：Robert Lea/RIKEN

圖解：上邊是康普頓相機(jī)，最初設(shè)計(jì)其應(yīng)用在宇宙尺度上來研究宇宙。

圖源：Robert Lea/RIKEN

科學(xué)家們已經(jīng)使用了一種儀器，它最初是用于研究宇宙中的巨大天體，現(xiàn)將其重新應(yīng)用在無限小的尺度上來研究這個(gè)世界。借助這臺(tái)儀器，他們成功地探測(cè)到了原子的核心。

該團(tuán)隊(duì)希望了解不穩(wěn)定原子內(nèi)發(fā)生的量子尺度變化，并意識(shí)到他們可以利用最先進(jìn)的伽馬射線偏振儀。這種被稱為康普頓相機(jī)的設(shè)備可以測(cè)量高能光波的偏振。換句話說，它可以剖析這種高能光朝向的方向。

然而，唯一的問題是，這臺(tái)儀器在技術(shù)上是為深空天文學(xué)而不是原子研究而建造的。事實(shí)上，科學(xué)家建造它是因?yàn)樗麄兿氚阉旁贖itomi衛(wèi)星上，來觀測(cè)高能宇宙過程。然而，這款相機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)證明了它的多功能性。通過捕捉原子核而不是遙遠(yuǎn)星系天體發(fā)出的伽馬射線的偏振，它設(shè)法揭示了原子核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及這些原子核可能正在經(jīng)歷的任何變化。

康普頓化學(xué)101

康普頓相機(jī)利用一種稱為“康普頓散射”的現(xiàn)象來確定伽馬射線的方向和能量。

康普頓散射是在高能光粒子或“光子”從帶電粒子（通常是電子）上反彈的時(shí)候發(fā)生。這種相互作用迫使光子撞擊電子發(fā)生“散射”，這意味著它們將部分能量和動(dòng)量轉(zhuǎn)移到剛剛被撞擊的粒子上。反過來，這些電子可以反沖并能基本從它們之前所附著的原子上彈出來。這個(gè)過程可以幫助我們揭示一些所涉及到的原子的信息。

“研究小組證明，這種康普頓相機(jī)可以作為核光譜學(xué)的有效偏振儀，揭示對(duì)核結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，”Tadayuki Takahashi是研究員負(fù)責(zé)人和卡夫利宇宙物理與數(shù)學(xué)研究所科學(xué)家，他告知Space.com。“這種儀器最初是為空間觀測(cè)而開發(fā)的，現(xiàn)在已經(jīng)證明了它這個(gè)工具，在其他領(lǐng)域也可以解決復(fù)雜科學(xué)問題的價(jià)值。”

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原子的核心

你可以將把原子看作是由“殼”組成的。每個(gè)殼都充滿了不同部分的帶負(fù)電荷的電子，它們?cè)凇拔宋恕钡匦D(zhuǎn)；最外層稱為價(jià)殼，價(jià)殼內(nèi)的電子稱為價(jià)電子。這些原子殼包圍著一個(gè)由帶正電的質(zhì)子和電中性的中子組成的中心核。

原子核中的質(zhì)子數(shù)決定了原子所代表的元素。

例如，氫是宇宙中最輕的元素，在它的原子核中總有一個(gè)質(zhì)子。元素周期表的另一端是鈾，它是最重的天然元素之一，它的原子核中總是有92個(gè)質(zhì)子。原子核中的中子數(shù)并不能定義原子是什么元素，因此它可以變化。例如，氫可以沒有中子，氘可以有一個(gè)中子，氚可以有兩個(gè)中子，而這些重量不同的原子被稱為“同位素”。有些同位素是穩(wěn)定的，有些則不是。

雖然已知自然界中存在270個(gè)穩(wěn)定的原子核，但當(dāng)考慮到不穩(wěn)定原子核時(shí)，已知元素的同位素的數(shù)量會(huì)躍升至3000個(gè)。

有趣的是，科學(xué)家們最近還觀察到了與不穩(wěn)定原子核相關(guān)的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象在穩(wěn)定原子核周圍是看不到的。這些包括電子能級(jí)的異常以及所謂的“幻數(shù)”的消失和出現(xiàn)。幻數(shù)是指填充原子核周圍能級(jí)殼層所需的電子量。從傳統(tǒng)上來看，這些數(shù)字是2、8、20、28、50、82和126。

然而，迄今為止，傳統(tǒng)方法還不足以研究與這些現(xiàn)象相關(guān)的核結(jié)構(gòu)變化。這是由于分析原子躍遷特征的儀器難以平衡靈敏度和探測(cè)效率。

以下是團(tuán)隊(duì)調(diào)查的重要部分。

不穩(wěn)定的原子核將試圖通過拋射質(zhì)子或中子來達(dá)到穩(wěn)定。這被稱為放射性衰變，它是一個(gè)以光子的形式將能量從原子中帶走的過程。伽馬射線是一種光子，康普頓相機(jī)可以探測(cè)到這些伽馬射線！也許理解不穩(wěn)定性和穩(wěn)定性之間的轉(zhuǎn)變可以幫助解讀科學(xué)家觀察到的一些奇怪的原子現(xiàn)象。

圖解：左圖是碲化鎘（CdTe）康普頓相機(jī)；右圖是其內(nèi)部的20層碲化鎘結(jié)構(gòu)。圖源：RIKEN

因此，這些研究人員認(rèn)為，包括碲化鎘（CdTe）半導(dǎo)體成像傳感器在內(nèi)的康普頓相機(jī)，它可能是測(cè)量不穩(wěn)定原子核伽馬射線偏振的理想選擇。同樣，這是因?yàn)檫@種傳感器在確定伽馬射線的位置時(shí)候提供了高探測(cè)效率和精確的精度（即使它最初是用于深空伽馬射線信號(hào)的）。

來自帶電粒子的光子的偏振將非偏振光變成偏振光，偏振方向是由散射角引起的結(jié)果。康普頓相機(jī)可以精確測(cè)量這種散射角和這些伽馬射線的偏振，這表明了在原子內(nèi)粒子的性質(zhì)，例如稱為“自旋”和“奇偶性”的量子力學(xué)特性的值。

科學(xué)家們利用RIKEN研究所的加速器實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了一系列核光譜測(cè)試，這些測(cè)試涉及用質(zhì)子束轟擊鐵核薄膜。這導(dǎo)致薄鐵膜中的電子達(dá)到激發(fā)態(tài)，并在返回基態(tài)時(shí)發(fā)射伽馬射線。該團(tuán)隊(duì)人為地控制了這些發(fā)射的位置和強(qiáng)度。這個(gè)可以對(duì)散射事件進(jìn)行詳細(xì)分析，并實(shí)現(xiàn)高靈敏度的偏振測(cè)量，以測(cè)試康普頓相機(jī)的能力。

Takahashi說：“多層碲化鎘康普頓相機(jī)具備以下幾個(gè)特點(diǎn)，使其非常適合這項(xiàng)研究。首先是碲化鎘的檢測(cè)效率。”。“通常，從原子核發(fā)射的伽馬射線具有兆電子伏特（MeV）量級(jí)的能量，而伽馬射線偏振儀的探測(cè)效率往往較低。然而，20層碲化鎘顯著提高了探測(cè)到這些伽馬射線的效率?！?/p>

Kavli宇宙物理和數(shù)學(xué)研究所的科學(xué)家補(bǔ)充說道，他的團(tuán)隊(duì)開發(fā)的碲化鎘傳感器也實(shí)現(xiàn)了亞兆電子伏特量級(jí)的伽馬射線的高能分辨率。

Takahashi補(bǔ)充道：“最后，它在探測(cè)器的有效區(qū)域內(nèi)

實(shí)現(xiàn)了幾毫米的位置分辨率，使其能夠‘看到’詳細(xì)的康普頓散射模式?！薄斑@些模式反映了光的線性偏振特性，包括伽馬射線在內(nèi)。”

通過測(cè)量發(fā)射的伽馬射線和揭示的峰值結(jié)構(gòu)，研究小組能夠確定光子散射的角度。該團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)他們的結(jié)果對(duì)于研究稀有放射性核的結(jié)構(gòu)是至關(guān)重要的，但即使是首席研究員也對(duì)這項(xiàng)測(cè)試的成功程度感到驚訝。

Takahashi說：“由天文觀測(cè)和核物理專家組成的研究小組在一定程度上預(yù)計(jì)道，伽馬射線偏振法在核伽馬射線光譜學(xué)實(shí)驗(yàn)中是可行的。”“然而，其表現(xiàn)和結(jié)果都超出了預(yù)期。”

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當(dāng)涉及到使用空間儀器研究原子核時(shí)，這些實(shí)驗(yàn)可能只是冰山一角。

Takahashi總結(jié)道：“天文觀測(cè)中有各種類型的康普頓相機(jī)，它們可以類似地被用于測(cè)量光子的線偏振?！?/p>

該團(tuán)隊(duì)的研究發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》雜志上。

BY:Robert Lea

FY:星辰V

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