深空天文探测器为何能用来研究原子的内部核心结构？

深空天文探测器“凝视”着原子的核心

“康普顿相机最初是为太空观测而开发的，现在已经证明了它这个工具，也具备解决其他领域复杂科学问题的价值。”

图解：上边是康普顿相机，最初设计其应用在宇宙尺度上来研究宇宙。

图源：Robert Lea/RIKEN

图解：上边是康普顿相机，最初设计其应用在宇宙尺度上来研究宇宙。

图源：Robert Lea/RIKEN

科学家们已经使用了一种仪器，它最初是用于研究宇宙中的巨大天体，现将其重新应用在无限小的尺度上来研究这个世界。借助这台仪器，他们成功地探测到了原子的核心。

该团队希望了解不稳定原子内发生的量子尺度变化，并意识到他们可以利用最先进的伽马射线偏振仪。这种被称为康普顿相机的设备可以测量高能光波的偏振。换句话说，它可以剖析这种高能光朝向的方向。

然而，唯一的问题是，这台仪器在技术上是为深空天文学而不是原子研究而建造的。事实上，科学家建造它是因为他们想把它放在Hitomi卫星上，来观测高能宇宙过程。然而，这款相机现在已经证明了它的多功能性。通过捕捉原子核而不是遥远星系天体发出的伽马射线的偏振，它设法揭示了原子核的内部结构以及这些原子核可能正在经历的任何变化。

康普顿化学101

康普顿相机利用一种称为“康普顿散射”的现象来确定伽马射线的方向和能量。

康普顿散射是在高能光粒子或“光子”从带电粒子（通常是电子）上反弹的时候发生。这种相互作用迫使光子撞击电子发生“散射”，这意味着它们将部分能量和动量转移到刚刚被撞击的粒子上。反过来，这些电子可以反冲并能基本从它们之前所附着的原子上弹出来。这个过程可以帮助我们揭示一些所涉及到的原子的信息。

“研究小组证明，这种康普顿相机可以作为核光谱学的有效偏振仪，揭示对核结构的认识，”Tadayuki Takahashi是研究员负责人和卡夫利宇宙物理与数学研究所科学家，他告知Space.com。“这种仪器最初是为空间观测而开发的，现在已经证明了它这个工具，在其他领域也可以解决复杂科学问题的价值。”

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原子的核心

你可以将把原子看作是由“壳”组成的。每个壳都充满了不同部分的带负电荷的电子，它们在“嗡嗡”地旋转；最外层称为价壳，价壳内的电子称为价电子。这些原子壳包围着一个由带正电的质子和电中性的中子组成的中心核。

原子核中的质子数决定了原子所代表的元素。

例如，氢是宇宙中最轻的元素，在它的原子核中总有一个质子。元素周期表的另一端是铀，它是最重的天然元素之一，它的原子核中总是有92个质子。原子核中的中子数并不能定义原子是什么元素，因此它可以变化。例如，氢可以没有中子，氘可以有一个中子，氚可以有两个中子，而这些重量不同的原子被称为“同位素”。有些同位素是稳定的，有些则不是。

虽然已知自然界中存在270个稳定的原子核，但当考虑到不稳定原子核时，已知元素的同位素的数量会跃升至3000个。

有趣的是，科学家们最近还观察到了与不稳定原子核相关的现象，这些现象在稳定原子核周围是看不到的。这些包括电子能级的异常以及所谓的“幻数”的消失和出现。幻数是指填充原子核周围能级壳层所需的电子量。从传统上来看，这些数字是2、8、20、28、50、82和126。

然而，迄今为止，传统方法还不足以研究与这些现象相关的核结构变化。这是由于分析原子跃迁特征的仪器难以平衡灵敏度和探测效率。

以下是团队调查的重要部分。

不稳定的原子核将试图通过抛射质子或中子来达到稳定。这被称为放射性衰变，它是一个以光子的形式将能量从原子中带走的过程。伽马射线是一种光子，康普顿相机可以探测到这些伽马射线！也许理解不稳定性和稳定性之间的转变可以帮助解读科学家观察到的一些奇怪的原子现象。

图解：左图是碲化镉（CdTe）康普顿相机；右图是其内部的20层碲化镉结构。图源：RIKEN

因此，这些研究人员认为，包括碲化镉（CdTe）半导体成像传感器在内的康普顿相机，它可能是测量不稳定原子核伽马射线偏振的理想选择。同样，这是因为这种传感器在确定伽马射线的位置时候提供了高探测效率和精确的精度（即使它最初是用于深空伽马射线信号的）。

来自带电粒子的光子的偏振将非偏振光变成偏振光，偏振方向是由散射角引起的结果。康普顿相机可以精确测量这种散射角和这些伽马射线的偏振，这表明了在原子内粒子的性质，例如称为“自旋”和“奇偶性”的量子力学特性的值。

科学家们利用RIKEN研究所的加速器实验进行了一系列核光谱测试，这些测试涉及用质子束轰击铁核薄膜。这导致薄铁膜中的电子达到激发态，并在返回基态时发射伽马射线。该团队人为地控制了这些发射的位置和强度。这个可以对散射事件进行详细分析，并实现高灵敏度的偏振测量，以测试康普顿相机的能力。

Takahashi说：“多层碲化镉康普顿相机具备以下几个特点，使其非常适合这项研究。首先是碲化镉的检测效率。”。“通常，从原子核发射的伽马射线具有兆电子伏特（MeV）量级的能量，而伽马射线偏振仪的探测效率往往较低。然而，20层碲化镉显著提高了探测到这些伽马射线的效率。”

Kavli宇宙物理和数学研究所的科学家补充说道，他的团队开发的碲化镉传感器也实现了亚兆电子伏特量级的伽马射线的高能分辨率。

Takahashi补充道：“最后，它在探测器的有效区域内

实现了几毫米的位置分辨率，使其能够‘看到’详细的康普顿散射模式。”“这些模式反映了光的线性偏振特性，包括伽马射线在内。”

通过测量发射的伽马射线和揭示的峰值结构，研究小组能够确定光子散射的角度。该团队预计他们的结果对于研究稀有放射性核的结构是至关重要的，但即使是首席研究员也对这项测试的成功程度感到惊讶。

Takahashi说：“由天文观测和核物理专家组成的研究小组在一定程度上预计道，伽马射线偏振法在核伽马射线光谱学实验中是可行的。”“然而，其表现和结果都超出了预期。”

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当涉及到使用空间仪器研究原子核时，这些实验可能只是冰山一角。

Takahashi总结道：“天文观测中有各种类型的康普顿相机，它们可以类似地被用于测量光子的线偏振。”

该团队的研究发表在《科学报告》杂志上。

BY:Robert Lea

FY:星辰V

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