激光脉冲揭示宇宙最重原子的秘密"橄榄球"形状

科学家利用高精度激光脉冲研究稀有锕系元素，揭示了此前无法测量的原子核特性。

宇宙中一些最重的原子存在时间极短，难以被研究，但科学家如今已成功在它们消失之前绘制出其内部结构。通过向原子发射精心调谐的激光脉冲，一位来自哥德堡大学的研究人员证明，镎和镄（元素周期表中锕系元素的放射性元素）的原子核并非完美的球形，而是被拉长成类似橄榄球的形状。

这看似是一个小细节，但原子核的形状会影响原子的行为方式、衰变方式以及新元素的可能形成方式。几十年来，这类测量一直难以实现，因为这些元素仅能微量产生，并在几秒钟内就会衰变。

"这些元素很难研究，因为它们不稳定，每次仅以极微量存在极短的时间，"米茨·乌尔基萨说。她作为在哥德堡大学论文工作的一部分，进行了这项激光脉冲实验。

在她的研究工作中，乌尔基萨阐述了一种详细研究此类元素的实用方法。她的工作为探索元素周期表不稳定的边缘区域打开了一扇新窗口，那里最重的元素在分解前仅短暂存在。

在原子消失前捕捉它们

研究像镎这样的重锕系元素的最大障碍在于其短暂的存续时间。这些原子在加速器中以极微量生成，通常仅能存在几秒钟。

传统技术需要更稳定的样品和更长的观测时间，而这些元素根本不具备这些条件。为了克服这一难题，研究人员开发了一种基于光学参量振荡器的专用激光系统。

该系统能够产生传统激光难以实现的非常精确波长的光，尤其是在许多重元素反应最佳的紫外波段。更重要的是，该装置将高稳定性的连续波激光与脉冲放大技术相结合，从而能够提供既高度精确又高能量的光。

研究人员指出："我们的方法能够产生窄线宽、高能量的脉冲，其光学线宽约为100兆赫兹，覆盖了传统钛蓝宝石激光器和染料激光器通常无法触及的光谱区间。"

当这些激光脉冲射向原子时，原子内的电子会吸收特定量的能量，并在能级之间跃迁。

研究人员补充道："由于原子核并非点状电荷，而是具有有限的体积和形状，这些相互作用可以通过原子跃迁能量中的微小偏移（即超精细结构）被观测到。"

通过高精度地测量这些微小效应，科学家可以提取关于原子核的信息，包括其大小、磁性和电学性质，以及形状。

对难以捉摸的元素的高质量描述

这种方法之所以强大，在于其精度与高能量的结合。基于光学参量振荡器的激光产生狭窄的高能脉冲，能够在原子短暂的寿命内对其进行探测，同时仍能分辨出其能级结构中非常精细的细节。

这些实验在欧洲多个先进设施中进行，每个设施都配备了生产、分离和测量这些稀有原子所需的独特工具。

通过结合来自不同实验装置的数据，研究人员首次构建了对镄和镎原子核的高质量描述，揭示了它们被拉长的橄榄球状形态。

研究人员表示："这些结果表明，基于光学参量振荡器的激光系统提供了一种通用且高效的解决方案，可将高分辨率光谱学拓展到核素图的新区域。"

为什么原子核形状在实验室之外也至关重要

理解原子核的形状对于检验和改进核物理模型至关重要。这些模型用于预测元素的行为，尤其是那些尚未被发现的元素。

新的测量结果提供了宝贵的数据，可以完善这些理论，并帮助科学家探索元素周期表可能延伸的极限。研究人员声称："对这些可观测量的精确测量，对于检验最先进的理论模型以及探索原子核存在的极限至关重要。"

这项研究还有实际应用意义。镎是核燃料循环的一部分，因此对其特性的更深入了解可能有助于更有效地管理核废料。

此外，从长远来看，对锕系元素研究的深入见解也可能支持用于医疗（如癌症治疗）的放射性同位素的生产。

下一步是进一步改进激光技术，扩大波长范围并提高稳定性，以便能够探索更多奇异的原子核。

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