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MIT在分子內(nèi)造出微型對(duì)撞機(jī)，首次窺探原子核內(nèi)部磁力分布|每日熱文

我們都知道，宇宙是由物質(zhì)構(gòu)成的。根據(jù)現(xiàn)代科學(xué)界的主流理論，宇宙誕生之初，物質(zhì)應(yīng)該和反物質(zhì)幾乎一樣多。但現(xiàn)今宇宙中可觀測的絕大部分都由物質(zhì)構(gòu)成，反物質(zhì)幾乎不見蹤影

(資料圖片僅供參考)

（來源：MIT News）

科學(xué)家認(rèn)為，要回答這個(gè)問題，就必須深入到最細(xì)微的層次——原子核內(nèi)部。然而，原子核太小、太難觀測。一直以來，科學(xué)家只能用像大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)那樣的巨型裝置來“硬撞”出答案。

近日，來自美國麻省理工學(xué)院（MIT）的科學(xué)家與多個(gè)機(jī)構(gòu)的科研人員合作，走出了一條完全不同的道路，將“對(duì)撞”過程微縮到了一個(gè)分子內(nèi)部。他們使用一種名為氟化鐳（225Ra19F）的放射性分子，成功在分子大小的空間內(nèi)構(gòu)建出一臺(tái)“超微型粒子對(duì)撞機(jī)”，新方法提供了一種桌面級(jí)的替代方案，可直接探測原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)。相關(guān)文章以題為“Observation of the distribution of nuclear magnetization in a molecule”發(fā)表在 Science 期刊。

放射性同位素 225Ra（鐳-225，半衰期：14.9 天）含有 88 個(gè)質(zhì)子和 137 個(gè)中子。與多數(shù)呈球形結(jié)構(gòu)的原子核不同，鐳原子核具有更不對(duì)稱的構(gòu)型，類似于一個(gè)梨的形狀，被認(rèn)為具有一種罕見的核八極形變。

梨形核為何重要？因?yàn)樗菀追糯笤雍藘?nèi)部極其微小的對(duì)稱性破缺效應(yīng)。而對(duì)稱性破缺正是解釋宇宙里反物質(zhì)為何消失的關(guān)鍵。

但鐳具有天然放射性，且壽命短，要“窺視”鐳原子核內(nèi)部并研究其基本對(duì)稱性是一項(xiàng)極其棘手的工作。

因此，在這項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)將鐳與氟原子結(jié)合，生成 225Ra19F 分子。在新的分子內(nèi)部，鐳原子的電子受到擠壓，其分子內(nèi)部電子所感受到的電場強(qiáng)度比實(shí)驗(yàn)室可施加的電場強(qiáng)數(shù)千倍。這增加了電子與鐳原子核相互作用甚至短暫進(jìn)入核內(nèi)部的概率。

圖 | 實(shí)驗(yàn)裝置（來源：Science）

這就像在分子內(nèi)部安裝了一張超高能的顯微鏡，把原本模糊的核內(nèi)部結(jié)構(gòu)清晰放大。“分子本身就像一臺(tái)迷你粒子加速器，我們可以借此真正看到原子核內(nèi)部發(fā)生了什么。”MIT 物理學(xué)家 Silviu-Marian Udrescu 形象地表示。

此外，研究團(tuán)隊(duì)將分子俘獲并冷卻，置入真空系統(tǒng)中，并使用精密激光光譜技術(shù)測量了 225Ra19F 分子中電子能級(jí)的極細(xì)微變化。這些變化來源于電子穿透原子核時(shí)與核內(nèi)部質(zhì)子、中子的相互作用。

結(jié)果顯示，電子的能量與理論中僅在核外發(fā)生相互作用時(shí)的預(yù)期值存在微小差異。盡管該能量偏移僅為激光光子能量的約百萬分之一，但卻是電子與原子核內(nèi)部質(zhì)子和中子發(fā)生相互作用的明確證據(jù)。

這也是世界上首次在分子體系中觀測到核磁化分布效應(yīng)（Bohr–Weisskopf Effect），其在原子物理中也稱為玻爾-韋斯柯夫效應(yīng)，指的是原子核的磁矩并非由一個(gè)理想的、無限小的點(diǎn)所產(chǎn)生，而是由核內(nèi)質(zhì)子和中子的磁化強(qiáng)度在有限大小的核體積內(nèi)具體分布所決定的。簡單來說，它描述了原子核的“磁鐵”屬性在空間上是如何展開的，而不僅僅是一個(gè)點(diǎn)磁鐵。

此前該效應(yīng)僅在簡單原子中被觀測到，而分子中由于電子結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，驗(yàn)證一直被視為“難題”。MIT 通過實(shí)驗(yàn)與先進(jìn)量子化學(xué)計(jì)算相結(jié)合，使觀測成為可能，標(biāo)志著核物理實(shí)驗(yàn)精度邁入新階段。

下一階段，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步利用該技術(shù)繪制核內(nèi)部力分布圖。目前實(shí)驗(yàn)中分子處于較高溫度，鐳原子核在分子中取向是隨機(jī)的。研究人員希望進(jìn)一步冷卻并控制這些分子的核取向，從而更精確地繪制鐳原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并尋找基本對(duì)稱性破缺的直接證據(jù)。

1.S. G. Wilkins, S. M. Udrescu, M. Athanasakis-Kaklamanakis, R. F. Garcia Ruiz, et al. (2025). Observation of the distribution of nuclear magnetization in a molecule. Science, Vol 390, Issue 6771, pp. 386-389. DOI: 10.1126/science.adm7717

運(yùn)營/排版：何晨龍

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