Nature: 精确测试氘核质量

纳米技术

2020-09-13

对结构最简单的原子（氢、氦）等的质量进行精确测试，对解决物理学有关悬而未决的问题有较大帮助，有报道提出通过Penning-trap质谱技术能够获取迄今为止最为精确的核质量数值，但是许多测试结果无法相互印证。马克斯普朗克核物理研究所Sascha Rau等最近在Nature上报道了对氢的同位素（氘）测试中获得了惊人的准确度，特别需要之处的是，该结果同以往结果有较大区别。作者通过一种设计精巧的辅助测量方法解决了核质量测试中的不精确问题。阿姆斯特丹自由大学Jeroen C. J. Koelemeij对最近Nature上发表的工作意义进行点评和总结。

本文要点：

（1）

原子核的精确质量对物理学家、化学家都有重要的意义，比如当原子结合生成分子的过程中，化学键发生类似弹簧振动的变化，而不是像刚性的棒。分子振动过程驱动了细胞的生物学过程，并且确定固体的性质，并且极为关键的是这种振动频率与原子核相关。此外，核的质量是Einstein的质-能方程中的参数，通过氢氘核之间的质量差，能够得出其中产生的能量。

（2）

作者通过微弱的交流电，一种可以称为成像电流的过程，能够对电极内表面氘移动过程产生电荷，并通过这种成像电流对氘的轨道频率进行确认。随后，将氘替换为碳，测试轨道频率。通过对两种结果中的频率结合，从而将磁场相关性消除。

Sascha Rau等通过超导电磁线圈对偏差进行测试并矫正，实现了将误差消除100倍，实现了达到8 ppt（万亿分之一）的精确度，是迄今为止最为准确的氘的质量m_d。但是该数据与以往结果有较大区别，作者通过一些方法和实验对其进行解释和理解。作者通过Penning-trap方法测试了HD⁺离子的质量，并对质子和氘的质量加起来，并发现结果与单独测试质子和氘的质量能够很好的符合，并且该实验结果和目前精确测试氘/氢质量比m_d/m_p相符，和实验中HD⁺光谱相关的转动、振动能很好的符合，以上结果验证了作者获得的结果虽然看起来有问题，但是实际上有较高的可信度。

参考文献

Jeroen C. J. Koelemeij*

Precise measurement of deuteron mass raises hopes of solving the nuclear-mass puzzle, Nature 2020

DOI: 10.1038/d41586-020-02474-3

https://www.nature.com/articles/d41586-020-02474-3