各种各样的原子，通过排列和组合形成分子结构，进而塑造了万千世界。可你是否曾经想过，直径只有原子万分之一的原子核内部，竟然也会存在类似分子的结构？
虽然原子核非常微小，但它的质量却占比原子质量的99.9%以上。长期以来，人们将原子核描绘为一个均匀、致密的球体，内部貌似没有复杂结构，就像一个球状液滴。
然而，随着对原子核的研究不断深入，科学家们逐渐发现了其内部的复杂性。一项最新的研究证实：在原子核的基态中，的确存在分子型结构。
原子核是由质子和中子等核子组成的量子多体系统。核子间的相互作用形成了多种有趣的原子核结构，从球形核到变形核，甚至是表面密度稀疏的中子晕核。在这些结构中，质子和中子聚集形成原子核内部的亚结构（被科学家称为“集团”或“团簇”），是一个引人入胜的现象。 ![]()
图 质子和中子均匀分布的球形核（左）；原子核内形成集团结构（右）图| 李朋杰 渺小的原子核会处于许多不同的状态。其中能量最低的被称为“基态”，其它的被称为“激发态”。科学家们认为这种集团结构主要出现在激发态中，尤其是在α共轭核（其质子和中子数量均为偶数且相等）中存在。α粒子由两个质子和两个中子组成，不仅具有较高的结合能，而且极其“懒惰”，使得α集团在核内形成具有能量优势。图 α共轭核随着激发能的增加，逐渐形成更高程度的α集团结构。1960年代，日本核物理学家Ikeda等指出集团结构更多地出现在α共轭核的激发态中，尤其在集团衰变阈值附近。图源| K. Ikeda et al., Prog. Theor. Phys. Suppl., E68 (1968) 464.科学家们已经通过实验，在一些特殊原子核的激发态中发现了不少集团结构的存在。那么，在原子核的基态中是否也存在类似的结构呢？ 早在1938年，理论物理学家Hafstad和Teller通过分析α共轭核的结合能，发现α-α之间相互作用的能量近似常数，因此推测铍-8、碳-12、氧-16等原子核的基态中可能存在α分子型的集团结构。但后来由于经典壳模型的单粒子描述变得流行，这一理论假设一直未能被证实。![]()
图 A = 4n核素的每个核子的结合能与α-α键数的关系。1938年Hafstad和Teller的结合能分析表明，α共轭核的结合能与α粒子的几何排列形成的键数成正比。图源| Freer, M. Clusters in Nuclei Scholarpedia在一项11月21日发表于Physical Review Letters的研究中，科学家们通过新颖的实验方法，首次发现在原子核基态中存在分子型结构，提供了迄今为止原子核基态中“集团化”的最清晰证据。这项研究作为亮点工作被美国物理学会的Physics杂志在线报道。
这项研究工作由中国科学院近代物理研究所联合香港大学、法国巴黎-萨克雷大学、日本理化学研究所、日本大阪大学、南京航空航天大学等国内外27家科研单位合作完成。 实验在日本理化学研究所放射性核束工厂(RIBF)上完成。研究团队通过逆运动学下的敲出反应，研究了铍-10的α集团结构。实验中，0.5倍光速的铍-10次级束流轰击2毫米厚的固态氢靶，束缚在铍-10核中的α集团由质子敲出，几乎不转移任何动量给反应余核, 使其保持了铍-10基态中的集团结构信息。图 日本放射性核束工厂RIBF的超导环形回旋加速器（左）；RIBF的SAMURAI终端（右）图源| 日本理化学研究所 图 丰中子核铍-10基态集团结构敲出反应示意图 图| 李朋杰 实验结果表明，敲出反应的实验截面与微观模型下的理论预测非常吻合，从而验证了长期以来对铍-10基态的分子态结构假设。 铍-10基态的物理图像类似于双原子分子，其中两个α粒子起到原子的作用，而两个中子则像成对电子一样轨道运动，形成了共价键。类似的结构可以在原子尺度上找到，但在原子核基态中非常罕见。这个发现不仅打破了对原子核的传统认识，也为人们对微观世界的理解带来了全新的视角。通过观察这种微小的“分子”结构，科学家们可以更深入地了解核物质内部的奥秘，重新审视原子核内部的构造和力量。 对于原子核这一微观领域的探索，这一发现可能只是冰山一角。它鼓舞着科学家们继续深入研究，探寻核内更多微小结构的存在。论文链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.212501
Physics杂志报道链接：
https://physics.aps.org/articles/v16/s167