我們通常以為，原子是構(gòu)成世界最堅(jiān)實(shí)、最穩(wěn)定的單位之一。即便它不穩(wěn)定，也會(huì)像鈷-60或碳-14那樣，慢慢地發(fā)射電子或光子。但在原子核物理的極端世界里，有些原子并不安靜。

它們像被拉滿的弓，或者說(shuō)是一顆隱藏的核內(nèi)炸彈，一旦形成，便在短短億分之一秒內(nèi)炸裂開(kāi)來(lái)，發(fā)出連環(huán)的粒子噴射。最近，中國(guó)科學(xué)院的科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)了一種這樣的“自毀原子”——鋁-20。

原子爆炸示意圖（圖片來(lái)源：作者使用AI生成）

這種新發(fā)現(xiàn)的鋁同位素不會(huì)穩(wěn)定地存在，它一產(chǎn)生便以獨(dú)特而猛烈的方式解體，連續(xù)拋出三個(gè)質(zhì)子。這種罕見(jiàn)的三質(zhì)子發(fā)射現(xiàn)象，不但刷新了我們對(duì)放射性衰變的認(rèn)識(shí)，還可能揭示自然界某些深層的對(duì)稱(chēng)性正悄然被打破。

鋁-20：一種從未見(jiàn)過(guò)的三質(zhì)子發(fā)射同位素

在元素周期表中，鋁是再普通不過(guò)的元素，它的穩(wěn)定同位素鋁-27在地殼中廣泛存在，鋁箔、鋁合金，甚至人體中都可以找到它的身影。然而，鋁-20卻完全不同，它是一種極不穩(wěn)定、極端罕見(jiàn)，甚至在自然界根本不存在的異類(lèi)同位素。它的發(fā)現(xiàn)，是一次對(duì)原子世界邊界的大膽探索。

生活中常見(jiàn)的鋁制品（圖片來(lái)源：作者使用AI生成）

鋁-20的奇特之處首先在于它的“身材”：它只有13個(gè)質(zhì)子和7個(gè)中子，比穩(wěn)定的鋁-27少了整整7個(gè)中子。這種嚴(yán)重“缺中子”的狀態(tài)使得鋁-20處在所謂的“質(zhì)子滴線”之外，也就是說(shuō)，它已經(jīng)不具備束縛多余質(zhì)子的能力，注定無(wú)法長(zhǎng)久存在，一旦產(chǎn)生就立刻奔向分裂。

那這顆短命的原子核是如何誕生的呢？中國(guó)科學(xué)院現(xiàn)代物理研究所與德國(guó)重離子研究中心的科研團(tuán)隊(duì)，利用了一種叫做飛行中衰變法的高能核物理實(shí)驗(yàn)手段。他們以鎂（Mg）為初級(jí)束流，在591 AMeV（兆電子伏/核子）的超高能條件下撞擊靶材，生成大量次級(jí)不穩(wěn)定核，其中就包括短暫存在的鋁-20。

研究人員通過(guò)高精度的硅微條探測(cè)器追蹤其衰變產(chǎn)物的軌跡，發(fā)現(xiàn)了鋁-20的一種極為罕見(jiàn)的衰變方式，三質(zhì)子發(fā)射。這個(gè)過(guò)程并不是一次性發(fā)射三個(gè)質(zhì)子，而是具有層次感的三段式自毀。首先，鋁-20發(fā)射一個(gè)質(zhì)子，變成鎂-19。接著，鎂-19不穩(wěn)定的基態(tài)同時(shí)發(fā)射兩個(gè)質(zhì)子，最終轉(zhuǎn)化為氖-17。這個(gè)衰變鏈總共釋放出三個(gè)質(zhì)子，形成一種前所未見(jiàn)的1p → 2p放射鏈條。

這是首次有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持的此類(lèi)三質(zhì)子放射序列，也是物理學(xué)家首次“抓住”如此細(xì)致分步的多質(zhì)子衰變過(guò)程。

這一發(fā)現(xiàn)為什么重要，對(duì)稱(chēng)性破缺與核物理新邊界

鋁-20的發(fā)現(xiàn)，并不僅僅是又多找到了一個(gè)不穩(wěn)定原子核那么簡(jiǎn)單。它之所以令全球核物理學(xué)界振奮，是因?yàn)樗谒プ冃袨椤⒛芰孔V與內(nèi)部結(jié)構(gòu)上，都違背了我們?cè)緦?duì)原子核規(guī)律的認(rèn)知。其中最關(guān)鍵的一點(diǎn)，是它打破了“等自旋對(duì)稱(chēng)性”這一物理學(xué)的基本假設(shè)。

在核物理中，有一條經(jīng)驗(yàn)法則，兩個(gè)質(zhì)量數(shù)相同、但質(zhì)子與中子數(shù)互換的原子核，被稱(chēng)為鏡像核，例如鋁-20（13個(gè)質(zhì)子, 7個(gè)中子）與氮-20（7個(gè)質(zhì)子, 13中子）。按照等自旋對(duì)稱(chēng)性的原理，這對(duì)鏡像核應(yīng)該擁有幾乎相同的能級(jí)結(jié)構(gòu)、相似的基態(tài)自旋宇稱(chēng)，也就是說(shuō)，它們是鏡中同構(gòu)。

但鋁-20卻打破了這條對(duì)稱(chēng)規(guī)則，氮-20的基態(tài)自旋宇稱(chēng)為 2?，而鋁-20的基態(tài)卻是 1?，并由多個(gè)前沿理論模型獨(dú)立驗(yàn)證。

這不僅是一次對(duì)稱(chēng)性破缺的直接證據(jù)，也意味著我們長(zhǎng)期以來(lái)依賴(lài)的質(zhì)量模型、能級(jí)預(yù)測(cè)工具等，都可能在極端核結(jié)構(gòu)面前失效。

對(duì)于鋁-20來(lái)說(shuō)，它的三個(gè)最外層質(zhì)子中，至少一個(gè)很可能處在s軌道，并在較大空間范圍內(nèi)分布，從而降低了整個(gè)原子核的總能量，使其質(zhì)量比理論預(yù)測(cè)更小、更加緊湊。這是TES首次在三質(zhì)子發(fā)射核中被明確觀測(cè)到，并形成解釋其能級(jí)偏移的合理機(jī)制。

為了驗(yàn)證這些觀察結(jié)果，研究人員使用了兩種先進(jìn)的理論工具：Gamow殼模型和Gamow耦合道模型。這兩種模型分別預(yù)測(cè)鋁-20的基態(tài)為1?，位于三質(zhì)子發(fā)射閾值以上2.3~2.9 MeV，均與實(shí)驗(yàn)1.93 MeV的結(jié)果相對(duì)接近；并推測(cè)其激發(fā)態(tài)（3.6 MeV）可能具有2?自旋宇稱(chēng)。這說(shuō)明新一代模型開(kāi)始具備解釋極端核結(jié)構(gòu)現(xiàn)象的能力，但仍需更多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。

總結(jié)

在浩瀚的原子核圖譜邊緣，科學(xué)家正不斷挖掘那些“活不過(guò)一瞬”的極端同位素——它們雖然極其短命，卻揭示了原子世界更深層的規(guī)則。鋁-20的發(fā)現(xiàn)，不僅刷新了我們對(duì)質(zhì)子發(fā)射衰變的認(rèn)知，還第一次讓我們看到對(duì)稱(chēng)性在某些情況下并不絕對(duì)。未來(lái)，這類(lèi)“三連爆”式的原子核衰變方式也許會(huì)被更多的發(fā)現(xiàn)，這些新發(fā)現(xiàn)將為我們打開(kāi)通往更廣闊核物理疆域的門(mén)。

參考文獻(xiàn)：

[1] Lee, Hankyu, et al. "A dedicated skin-to-brain circuit for cool sensation in mice." Nature Communications 16.1 (2025): 6731.

作者丨邵文亞 福建醫(yī)科大學(xué)副教授；楊超博士、中國(guó)科普作家協(xié)會(huì)會(huì)員

審核丨張麗媛 深圳先進(jìn)光源研究院副教授

來(lái)源: 科普中國(guó)創(chuàng)作培育計(jì)劃

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