我们通常以为,原子是构成世界最坚实、最稳定的单位之一。即便它不稳定,也会像钴-60或碳-14那样,慢慢地发射电子或光子。但在原子核物理的极端世界里,有些原子并不安静。

它们像被拉满的弓,或者说是一颗隐藏的核内炸弹,一旦形成,便在短短亿分之一秒内炸裂开来,发出连环的粒子喷射。最近,中国科学院的科学家就发现了一种这样的“自毁原子”——铝-20。

原子爆炸示意图(图片来源:作者使用AI生成)

这种新发现的铝同位素不会稳定地存在,它一产生便以独特而猛烈的方式解体,连续抛出三个质子。这种罕见的三质子发射现象,不但刷新了我们对放射性衰变的认识,还可能揭示自然界某些深层的对称性正悄然被打破。

铝-20:一种从未见过的三质子发射同位素

在元素周期表中,铝是再普通不过的元素,它的稳定同位素铝-27在地壳中广泛存在,铝箔、铝合金,甚至人体中都可以找到它的身影。然而,铝-20却完全不同,它是一种极不稳定、极端罕见,甚至在自然界根本不存在的异类同位素。它的发现,是一次对原子世界边界的大胆探索。

生活中常见的铝制品(图片来源:作者使用AI生成)

铝-20的奇特之处首先在于它的“身材”:它只有13个质子和7个中子,比稳定的铝-27少了整整7个中子。这种严重“缺中子”的状态使得铝-20处在所谓的“质子滴线”之外,也就是说,它已经不具备束缚多余质子的能力,注定无法长久存在,一旦产生就立刻奔向分裂。

那这颗短命的原子核是如何诞生的呢?中国科学院现代物理研究所与德国重离子研究中心的科研团队,利用了一种叫做飞行中衰变法的高能核物理实验手段。他们以镁(Mg)为初级束流,在591 AMeV(兆电子伏/核子)的超高能条件下撞击靶材,生成大量次级不稳定核,其中就包括短暂存在的铝-20。

研究人员通过高精度的硅微条探测器追踪其衰变产物的轨迹,发现了铝-20的一种极为罕见的衰变方式,三质子发射。这个过程并不是一次性发射三个质子,而是具有层次感的三段式自毁。首先,铝-20发射一个质子,变成镁-19。接着,镁-19不稳定的基态同时发射两个质子,最终转化为氖-17。这个衰变链总共释放出三个质子,形成一种前所未见的1p → 2p放射链条。

这是首次有实验数据支持的此类三质子放射序列,也是物理学家首次“抓住”如此细致分步的多质子衰变过程。

这一发现为什么重要,对称性破缺与核物理新边界

铝-20的发现,并不仅仅是又多找到了一个不稳定原子核那么简单。它之所以令全球核物理学界振奋,是因为它在衰变行为、能量谱与内部结构上,都违背了我们原本对原子核规律的认知。其中最关键的一点,是它打破了“等自旋对称性”这一物理学的基本假设。

在核物理中,有一条经验法则,两个质量数相同、但质子与中子数互换的原子核,被称为镜像核,例如铝-20(13个质子, 7个中子)与氮-20(7个质子, 13中子)。按照等自旋对称性的原理,这对镜像核应该拥有几乎相同的能级结构、相似的基态自旋宇称,也就是说,它们是镜中同构。

但铝-20却打破了这条对称规则,氮-20的基态自旋宇称为 2⁻,而铝-20的基态却是 1⁻,并由多个前沿理论模型独立验证。

这不仅是一次对称性破缺的直接证据,也意味着我们长期以来依赖的质量模型、能级预测工具等,都可能在极端核结构面前失效。

对于铝-20来说,它的三个最外层质子中,至少一个很可能处在s轨道,并在较大空间范围内分布,从而降低了整个原子核的总能量,使其质量比理论预测更小、更加紧凑。这是TES首次在三质子发射核中被明确观测到,并形成解释其能级偏移的合理机制。

为了验证这些观察结果,研究人员使用了两种先进的理论工具:Gamow壳模型和Gamow耦合道模型。这两种模型分别预测铝-20的基态为1⁻,位于三质子发射阈值以上2.3~2.9 MeV,均与实验1.93 MeV的结果相对接近;并推测其激发态(3.6 MeV)可能具有2⁻自旋宇称。这说明新一代模型开始具备解释极端核结构现象的能力,但仍需更多实验数据进行校正。

总结

在浩瀚的原子核图谱边缘,科学家正不断挖掘那些“活不过一瞬”的极端同位素——它们虽然极其短命,却揭示了原子世界更深层的规则。铝-20的发现,不仅刷新了我们对质子发射衰变的认知,还第一次让我们看到对称性在某些情况下并不绝对。未来,这类“三连爆”式的原子核衰变方式也许会被更多的发现,这些新发现将为我们打开通往更广阔核物理疆域的门。

参考文献:

[1] Lee, Hankyu, et al. "A dedicated skin-to-brain circuit for cool sensation in mice." Nature Communications 16.1 (2025): 6731.

作者丨邵文亚 福建医科大学副教授;杨超博士、中国科普作家协会会员

审核丨张丽媛 深圳先进光源研究院副教授

来源: 科普中国创作培育计划

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