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

深空天文探測器“凝視”著原子的核心

“康普頓相機最初是為太空觀測而開發(fā)的，現(xiàn)在已經(jīng)證明了它這個工具，也具備解決其他領域復雜科學問題的價值?！?/p>

圖解：上邊是康普頓相機，最初設計其應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，最初設計其應用在宇宙尺度上來研究宇宙。

圖源：Robert Lea/RIKEN

科學家們已經(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)將其重新應用在無限小的尺度上來研究這個世界。借助這臺儀器，他們成功地探測到了原子的核心。

該團隊希望了解不穩(wěn)定原子內(nèi)發(fā)生的量子尺度變化，并意識到他們可以利用最先進的伽馬射線偏振儀。這種被稱為康普頓相機的設備可以測量高能光波的偏振。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，這臺儀器在技術(shù)上是為深空天文學而不是原子研究而建造的。事實上，科學家建造它是因為他們想把它放在Hitomi衛(wèi)星上，來觀測高能宇宙過程。然而，這款相機現(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星系天體發(fā)出的伽馬射線的偏振，它設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101

康普頓相機利用一種稱為“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，這種康普頓相機可以作為核光譜學的有效偏振儀，揭示對核結(jié)構(gòu)的認識，”Tadayuki Takahashi是研究員負責人和卡夫利宇宙物理與數(shù)學研究所科學家，他告知Space.com。“這種儀器最初是為空間觀測而開發(fā)的，現(xiàn)在已經(jīng)證明了它這個工具，在其他領域也可以解決復雜科學問題的價值?！?/p>

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原子的核心

你可以將把原子看作是由“殼”組成的。每個殼都充滿了不同部分的帶負電荷的電子，它們在“嗡嗡”地旋轉(zhuǎn)；最外層稱為價殼，價殼內(nèi)的電子稱為價電子。這些原子殼包圍著一個由帶正電的質(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，氘可以有一個中子，氚可以有兩個中子，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個穩(wěn)定的原子核，但當考慮到不穩(wěn)定原子核時，已知元素的同位素的數(shù)量會躍升至3000個。

有趣的是，科學家們最近還觀察到了與不穩(wěn)定原子核相關的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象在穩(wěn)定原子核周圍是看不到的。這些包括電子能級的異常以及所謂的“幻數(shù)”的消失和出現(xiàn)?；脭?shù)是指填充原子核周圍能級殼層所需的電子量。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效率。

以下是團隊調(diào)查的重要部分。

不穩(wěn)定的原子核將試圖通過拋射質(zhì)子或中子來達到穩(wěn)定。這被稱為放射性衰變，它是一個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，康普頓相機可以探測到這些伽馬射線！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；右圖是其內(nèi)部的20層碲化鎘結(jié)構(gòu)。圖源：RIKEN

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

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?？灯疹D相機可以精確測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”的量子力學特性的值。

科學家們利用RIKEN研究所的加速器實驗進行了一系列核光譜測試，這些測試涉及用質(zhì)子束轟擊鐵核薄膜。這導致薄鐵膜中的電子達到激發(fā)態(tài)，并在返回基態(tài)時發(fā)射伽馬射線。該團隊人為地控制了這些發(fā)射的位置和強度。這個可以對散射事件進行詳細分析，并實現(xiàn)高靈敏度的偏振測量，以測試康普頓相機的能力。

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

Kavli宇宙物理和數(shù)學研究所的科學家補充說道，他的團隊開發(fā)的碲化鎘傳感器也實現(xiàn)了亞兆電子伏特量級的伽馬射線的高能分辨率。

Takahashi補充道：“最后，它在探測器的有效區(qū)域內(nèi)

實現(xiàn)了幾毫米的位置分辨率，使其能夠‘看到’詳細的康普頓散射模式?！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)?！?/p>

通過測量發(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。該團隊預計他們的結(jié)果對于研究稀有放射性核的結(jié)構(gòu)是至關重要的，但即使是首席研究員也對這項測試的成功程度感到驚訝。

Takahashi說：“由天文觀測和核物理專家組成的研究小組在一定程度上預計道，伽馬射線偏振法在核伽馬射線光譜學實驗中是可行的?！薄叭欢?，其表現(xiàn)和結(jié)果都超出了預期。”

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當涉及到使用空間儀器研究原子核時，這些實驗可能只是冰山一角。

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

該團隊的研究發(fā)表在《科學報告》雜志上。

BY:Robert Lea

FY:星辰V

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