新研究为精确计算原子核的结构开辟了道路，在一项结合实验研究和超级计算机理论计算的研究中，科学家们确定了硼两种同位素的核几何形状。这一结果将为科学家们精确计算其他原子核的结构开辟一条道路，科学家们可以通过实验验证这些结构。美国能源部阿贡国家实验室研究人员与德国和波兰的科学家合作，测定了硼-10和硼-11之间核电荷半径的差异。
核电荷半径表示原子核的大小，原子核的边缘通常比较模糊。由于中子和质子的数量众多，其性质和相互作用必须从量子力学中推导出来，因此对于比硼大得多的原子，核电荷半径很难精确计算。核理论建立在量子色动力学(QCD)的基础上，量子色动力学是一套物理规则，适用于构成原子核内质子和中子的夸克和胶子。但是，由于量子色动力学的复杂性，仅用量子色动力学来解决核动力问题几乎是不可能的，研究人员必须依赖于至少一些简化的假设。
由于硼相对较轻（只有5个质子和少量中子）研究小组成功地在Mira超级计算机上模拟了这两种硼同位素。并用激光光谱法对它们进行了实验研究。Mira是Argonne Leadership Computing Facility (ALCF)的一部分，ALCF是美国能源部科学用户设施办公室。参与领导这项研究的阿尔贡核物理学家彼得·穆勒(Peter Mueller)说：这是最复杂的原子核之一，可以通过实验得到这些精确的测量值，并从理论上推导出来，观察硼-11 (11B)和硼-10 (10B)的核构型是如何不同。
（博科园-图示）硼原子的示意图，图片：Ellen Weiss/Argonne National Laboratory
这涉及到在非常小的长度尺度上进行测定：小于飞兆分之一米。在一个与直觉相反的发现中。研究人员确定硼-11中的11个核子实际上比硼-10中的10个核子占据更小体积。为了对硼同位素进行实验研究，达姆施塔特大学的科学家们对同位素样品进行了激光光谱分析，这些样品在不同的频率下发出荧光。阿贡物理学家罗伯特·维林加解释说：虽然荧光模式的差异主要是由于同位素之间的质量差异造成，但测量中有一个成分反映了原子核的大小。
为了分离这些成分，华沙大学和波兹南亚当·米奇维茨大学合作者进行了最先进的原子理论计算，精确地描述了硼原子原子核周围五个电子的复杂运动。早期电子散射实验并不能确定哪个更大，通过使用激光光谱学技术，可以确定额外的中子是如何更紧密地结合硼-11。实验和理论对原子核尺寸的良好一致性使研究人员能够更有把握地确定同位素的其他性质，例如它的衰变率。进行计算和实验的能力可以同时验证和加强其发现。
下一阶段研究可能会涉及硼-8的研究，它不稳定，在衰变前只有大约一秒钟的半衰期。因为原子核中中子较少，所以它的束缚比它稳定邻居要小得多，而且据信它的电荷半径更大。这是一个预测，但只有实验才能告诉我们，它实际上在多大程度上模拟了这个松散结合的系统，其研究成果发表在《物理评论快报》上。
博科园｜研究/来自：阿贡国家实验室
参考期刊《物理评论快报》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.182501
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