放手也是爱！Nature：中子的滴落是原子核的不挽留！

纳米人

2020-11-09

原子核由核的强作用力所维系的质子和中子组成。质子的数量决定了一个原子的化学元素特性；而中子的数量则决定了该元素的同位素。

教科书中经常把原子核描绘成像胶体一样黏在一起的许多质子和中子，但真正的原子核要复杂得多。虽然它是由离散的粒子组成的，但通常原子核更像是带有表面张力的液滴。对于具有一定质子数量（Z）的原子核来说，它能束缚的中子数量（N）是有限的。一旦超过这个极限，原子核便会停止粘合在一起，这一极限被称为中子滴线。之所以被称为“滴线”，是因为如果再增加一个中子突破这个极限，那么这个中子就会毫无阻力地溜走。

目前已有相关研究对超重元素的质子极限数。科学家们仍然在寻找，当质子数固定时，最大中子的极限数是多少——即在一个给定的原子种类中丰中子同位素存在的极限，即中子滴线。到目前为止，中子滴线还没有被完全绘制出来，其产生的机理也一直没有得到合理的解释。

传统认知

核物理学家长期以来一直认为，中子滴线受质子-中子对称性所支配。在原子核的核壳层模型中，质子和中子占据量子壳层，就像原子中的电子一样，每个壳层都有特定的势能。他们的想法是，如果质子-中子的配对程度减小，势能也会减小（泡利不相容原理），达到添加一个中子会降低结合能的程度（原子核稳定程度降低）。

但是质子和中子并不是在一个壳层中。相反，在强大的核力的驱动下，它们从一个壳跳到另一个壳，形成不同的构型。质子和中子就像一群盘旋在空中的鸟，一起移动。例如，它们可以一些其他粒子进行配对，比如超导体中的电子，它们还可以产生旋转的椭球形原子核，释放出射线。

图 | 原子核壳结构示意图

新突破

近日，日本东京大学Takaharu Otsuka团队在Nature上发表了题为“The impact of nuclear shape on the emergence of the neutron dripline”的研究论文，报道了滴线形成机理的新认识。

作者认为形成滴线的机理比我们之前理解的更加微妙：对从氟(Z = 9)到镁(Z = 12)的中子滴线可能存在着一种机理,即随着中子数的增加,原子核形状逐渐趋于椭圆，导致更高的结合能，而当这种效应达到饱和(当原子核不能进一步变形时)时会产生中子滴线。当超过中子数超过中子滴线，所形成的同位素是不受束缚的（即结合能低），当加入中子时，会有更多的中子滴出。

图 | 结合原子核变形与结合能变化的新中子滴线机制

作者计算了原子核中的各类能量对结合能的贡献，比如在壳中加入中子所产生的单极子能量，变形产生的能量，以及质子和中子配对所产生的能量等等。他们发现，在从氟到镁等元素的变化中，随着中子被添加到原子核中，单极子能量的贡献稳步上升。与此同时，原子核开始变得越来越变形，导致了结合能的上升。

但是，随着中子的继续增加，原子核变得难以变形，对产生变形的各项贡献中单极子能的贡献比下降得更快。当这种情况发生时，结合能下降，导致中子滴线位置增大。有趣的是，尽管质子-中子配对能对结合能的贡献不可忽略，但它近似恒定，因此对中子滴线的产生无甚影响。

图 | F, Ne, Na和Mg等偶氮同位素的基态结合能量，红色箭头为理论中子滴线

原子核中存在有”神奇数量（magic numbers）“的概念（Z, N= 2,8,20,28,50，…），当质子或中子数达到”神奇数量“时（类似于具有化学惰性的惰性气体的填充电子壳层），所得到的原子核能隙很大，导致原子核的形变被抑制。例如，钙(有20个质子)有许多不易变形的稳定同位素，而钙-40(有20个质子和20个中子)则具有”双重魔力“。

但是，随着质子和中子之间的平衡发生变化，以前的”神奇数量“可以被新的数字取代，比如16个中子。理论和实验都表明，当氖和镁的同位素捕获超过16个中子时，其2¹₊和4¹₊能级的最低能量轨道的能量显著降低，这是原子核增加变形的典型标志。Takaharu Otsuka的计算结果表明，原子核很容易变形，特别是当壳层间的能隙很小的时候。

图 | Ne和Mg同位素的2¹₊和4¹₊能级随着N的变化而发生的系统变化。

结语

作者提出的机理借鉴了核物理学家熟悉的概念，特别是变形和平均壳结构之间的竞争，但仍存在一些问题。例如，尽管作者的计算非常详细，需要用到超级计算机，但他们在很大程度上忽略了未束缚的(连续的)单粒子状态，这些状态在定义较轻原子的中子滴线方面起着至关重要的作用。

此外，尽管作者利用了质子和中子之间的从头算相互作用，但是他们对单粒子能量做了经验调整，这种手工调整使得其所提议的中子滴线产生机制的可信度降低。

文章发表当日，美国圣地亚哥州立大学Calvin W. Johnson在Nature上发表了评述“Competition at nuclear extremes explains why neutrons drip off nuclei”，其认为该研究的关键在于中子滴线形成的机制上，并且应该将目光放在更重的元素。

为了充分理解这一过程，我们必须走向原子核的极端！

参考文献：

https://www.nature.com/articles/d41586-020-03016-7

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2848-x