激光脈沖揭示宇宙最重原子的秘密"橄欖球"形狀

科學家利用高精度激光脈沖研究稀有錒系元素，揭示了此前無法測量的原子核特性。

宇宙中一些最重的原子存在時間極短，難以被研究，但科學家如今已成功在它們消失之前繪制出其內部結構。通過向原子發射精心調諧的激光脈沖，一位來自哥德堡大學的研究人員證明，镎和鐨（元素周期表中錒系元素的放射性元素）的原子核并非完美的球形，而是被拉長成類似橄欖球的形狀。

這看似是一個小細節，但原子核的形狀會影響原子的行為方式、衰變方式以及新元素的可能形成方式。幾十年來，這類測量一直難以實現，因為這些元素僅能微量產生，并在幾秒鐘內就會衰變。

"這些元素很難研究，因為它們不穩定，每次僅以極微量存在極短的時間，"米茨·烏爾基薩說。她作為在哥德堡大學論文工作的一部分，進行了這項激光脈沖實驗。

在她的研究工作中，烏爾基薩闡述了一種詳細研究此類元素的實用方法。她的工作為探索元素周期表不穩定的邊緣區域打開了一扇新窗口，那里最重的元素在分解前僅短暫存在。

在原子消失前捕捉它們

研究像镎這樣的重錒系元素的最大障礙在于其短暫的存續時間。這些原子在加速器中以極微量生成，通常僅能存在幾秒鐘。

傳統技術需要更穩定的樣品和更長的觀測時間，而這些元素根本不具備這些條件。為了克服這一難題，研究人員開發了一種基于光學參量振蕩器的專用激光系統。

該系統能夠產生傳統激光難以實現的非常精確波長的光，尤其是在許多重元素反應最佳的紫外波段。更重要的是，該裝置將高穩定性的連續波激光與脈沖放大技術相結合，從而能夠提供既高度精確又高能量的光。

研究人員指出："我們的方法能夠產生窄線寬、高能量的脈沖，其光學線寬約為100兆赫茲，覆蓋了傳統鈦藍寶石激光器和染料激光器通常無法觸及的光譜區間。"

當這些激光脈沖射向原子時，原子內的電子會吸收特定量的能量，并在能級之間躍遷。

研究人員補充道："由于原子核并非點狀電荷，而是具有有限的體積和形狀，這些相互作用可以通過原子躍遷能量中的微小偏移（即超精細結構）被觀測到。"

通過高精度地測量這些微小效應，科學家可以提取關于原子核的信息，包括其大小、磁性和電學性質，以及形狀。

對難以捉摸的元素的高質量描述

這種方法之所以強大，在于其精度與高能量的結合。基于光學參量振蕩器的激光產生狹窄的高能脈沖，能夠在原子短暫的壽命內對其進行探測，同時仍能分辨出其能級結構中非常精細的細節。

這些實驗在歐洲多個先進設施中進行，每個設施都配備了生產、分離和測量這些稀有原子所需的獨特工具。

通過結合來自不同實驗裝置的數據，研究人員首次構建了對鐨和镎原子核的高質量描述，揭示了它們被拉長的橄欖球狀形態。

研究人員表示："這些結果表明，基于光學參量振蕩器的激光系統提供了一種通用且高效的解決方案，可將高分辨率光譜學拓展到核素圖的新區域。"

為什么原子核形狀在實驗室之外也至關重要

理解原子核的形狀對于檢驗和改進核物理模型至關重要。這些模型用于預測元素的行為，尤其是那些尚未被發現的元素。

新的測量結果提供了寶貴的數據，可以完善這些理論，并幫助科學家探索元素周期表可能延伸的極限。研究人員聲稱："對這些可觀測量的精確測量，對于檢驗最先進的理論模型以及探索原子核存在的極限至關重要。"

這項研究還有實際應用意義。镎是核燃料循環的一部分，因此對其特性的更深入了解可能有助于更有效地管理核廢料。

此外，從長遠來看，對錒系元素研究的深入見解也可能支持用于醫療（如癌癥治療）的放射性同位素的生產。

下一步是進一步改進激光技術，擴大波長范圍并提高穩定性，以便能夠探索更多奇異的原子核。

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