图：科学家杂志AI绘图
费米研究表明，随着核质量的增加，核壳效应减弱，宏观影响在超重元素中占据主导地位。那么，化学元素的周期表究竟在哪里结束？哪些过程决定了重元素的存在？一个国际研究团队在GSI/FAIR加速器设施和约翰内斯·古腾堡大学美因茨进行了实验，探索这些问题。
他们的研究发表在《自然》杂志上，提供了关于不同中子数费米（元素100）原子核结构的新见解。通过前沿的激光光谱技术，研究团队追踪了核电荷半径的演变，发现随着中子的增加，核电荷半径稳步增加。这表明在这些重核中，局部核壳效应对核电荷半径的影响减弱。
超铀元素（如费米，元素100）不自然存在于地壳中，必须人工合成。它们连接了最重的天然元素与所谓的超重元素（从元素104开始）之间的桥梁。超重元素的存在依赖于量子力学壳效应，这些效应为核结合能增加了约两千分之一。尽管贡献较小，但这一点在抵消众多带正电质子之间的排斥力方面至关重要。
量子力学效应由原子核的构成部分——质子和中子——引发，并通过核壳模型进行解释。类似于原子中填满的电子壳层带来的化学稳定性和惰性，填满核壳（包含所谓的“魔数”质子/中子）的原子核表现出更高的稳定性。因此，它们的核结合能和寿命增加。在较轻的原子核中，填满的核壳也已知会影响核电荷半径的趋势。
利用激光光谱方法，可以分析原子结构的微小变化，从而提供关于核特性的信息，如核电荷半径，即原子核中质子的分布。对同一元素但不同中子数的多个原子核的研究揭示了核电荷半径的稳定增加，除非跨越了一个“魔数”，这时会观察到一个拐点，因为壳闭合处径向增加的斜率发生变化。这一效应在较轻的球形原子核中一直持续到铅。
“通过激光方法，我们研究了费米原子核，拥有100个质子和145到157个中子。特别是，我们研究了量子力学壳效应对原子核大小的影响。这让我们从新的角度揭示了这些核在中子数152附近已知壳效应范围内的结构，”GSI/FAIR实验的发言人Sebastian Raeder博士解释道。
“在这个中子数上，之前在核结合能的趋势中观察到了中子壳闭合的特征。壳效应的强度通过2012年在GSI/FAIR进行的高精度质量测量得到了测量。根据爱因斯坦的质量能量等价原理，这些质量测量提供了关于壳效应提供的额外结合能的线索。中子数152附近的原子核是深入研究的理想试验台，因为它们的形状更像橄榄球，而不是球形。这种变形使得它们的核中众多质子比在球形核中更远。”
在当前的测量中，一个由来自七个国家的27个研究所组成的国际合作团队使用不同的方法生产费米同位素，并在应用的激光光谱技术中进行方法学发展，研究了寿命从几秒到一百天不等的费米同位素。短寿命同位素是在GSI/FAIR加速器设施中生产的，在某些情况下，每分钟仅有少量原子可用于实验。为了探测它们，研究人员使用了一种为几年前对锘同位素的测量而开发的定制激光光谱方法。生成的原子核在氩气中停止并拾取电子形成中性原子，然后用激光光探测。
中子丰富的长寿命费米同位素（费米-255，费米-257）在美国橡树岭国家实验室和法国格勒诺布尔的劳厄-朗之万研究所以皮克克量生产。在约翰内斯·古腾堡大学美因茨（JGU）进行了样品的放射化学制备。使用不同的方法，它们随后在真空中通过激光光进行蒸发和检查。
适当波长的激光光将费米原子中的一个电子提升到更高的轨道，然后将其完全从原子中移除，形成可以有效检测的费米离子。这个逐步离子形成过程所需的确切能量随着中子数的变化而变化。通过测量这种激发能量的小变化，获得了关于原子核大小变化的信息。
研究提供了关于费米同位素中核电荷半径在中子数152附近变化的见解，显示出稳定、均匀的增加。通过与国际合作伙伴使用现代理论核物理模型进行的各种计算比较实验数据，可以解释潜在的物理效应。尽管计算方法不同，但所有模型都与实验数据以及彼此之间高度一致。
“我们的实验结果及其与现代理论方法的解释表明，在费米核中，核壳效应对核电荷半径的影响减弱，与其对这些核的结合能的强烈影响形成对比，”GSI/FAIR和JGU的博士生、论文的第一作者Jessica Warbinek博士说。“结果证实了理论预测，即由于个别中子和质子的局部壳效应在核质量增加时失去影响，取而代之的是全体核子整体效应的主导作用，核更像是一个带电液滴。”
这些实验方法的改进为进一步研究中子数152及其以上区域的重元素激光光谱研究铺平了道路，并代表了朝着更好理解重元素和超重元素稳定化过程迈出的重要一步。持续的发展预示着未来的研究将能够揭示核壳结构的微弱效应，而这些效应正是已知最重元素存在的核心。
点评：这项研究在超重元素的研究中取得了显著进展，特别是对费米元素的核结构提供了新的见解。通过精确的激光光谱技术，研究揭示了随着核质量的增加，核壳效应的影响减弱，而整体核子的集体效应变得更加重要。这一发现挑战了传统的核稳定性理论，强调了在超重元素中，宏观效应的主导作用。这项研究不仅为理解超重元素的稳定性提供了新的视角，也为未来探索元素周期表的极限奠定了基础。通过这些实验，科学家们能够更好地预测和理解超重元素的性质，为核物理学和化学领域的进一步研究提供了重要的理论支持。
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