本文介紹了一種飛米級電子顯微鏡的原理，未來這種技術有望用于探測遠離穩(wěn)定谷的核。

自從Robert Hofstadter及其合作者在20世紀50年代的測量工作以來，人們已經(jīng)知道，原子核不是點狀粒子，而是具有飛米尺度的有限大小——大約比原子半徑小10000倍。這項獲得諾貝爾獎的研究使用加速器產生的高能電子束轟擊靶材料，并檢測電子被偏轉的方向，揭示出核的內部結構和確切的空間電荷分布。

在日本RIKEN Nishina加速器科學中心的研究人員首次觀測到放射性同位素的這種非自然發(fā)生的電子散射。物理學家們通過不斷改進加速器技術以及產生和捕獲離子的新方法，得到了期待已久的結果。他們的成功標志著預期的“飛米顯微鏡”的實現(xiàn)，它可以給出核素圖中至今不能達到的區(qū)域里的原子核圖像。

一塊碳化鈾產生的放射性銫-137被注入到電子儲存環(huán)中的固定位置，使用高能電子轟擊銫-137。電子在銫-137靶上散射并用磁譜儀(飛米顯微鏡)記錄，由此重構銫核的特性

該團隊利用了一種通常用于光學分析技術的現(xiàn)象。當激光通過一個小孔時產生衍射花紋：在束流軸線上出現(xiàn)明亮的圓盤，周圍是一系列強度逐漸減弱的同心圓。小孔的大小和形狀決定了角分布的細節(jié)。量子力學告訴我們，在原子核的尺度上，電子束可以看作是波。類似于光學，我們可以根據(jù)被樣品偏轉的電子的衍射圖形推斷所研究物體的空間分布。高能電子散射可由熟知的相互作用描述：作用在帶電物體上的電磁力。因而，當入射電子能量在幾百兆電子伏時，原子核的內部電荷分布的分辨率可達幾飛米。

這種技術已經(jīng)被應用于許多穩(wěn)定核以及幾種長壽命的放射性同位素的研究。這些都是在核素圖中“穩(wěn)定谷”的核。物理學家的探索還不能超出穩(wěn)定谷，預期超出后出現(xiàn)的電荷分布具有非常特殊的形狀。困難在于要得到一個衍射圖形需要將足夠數(shù)量的短壽命核禁閉在靶的體積內。

RIKEN Nishina中心放射性同位素束流工廠的下一代重離子加速器裝置，可人工產生在自然界不存在的放射性同位素。RIKEN團隊用來自另外一臺加速器產生的高能電子轟擊一塊碳化鈾，產生了銫-137放射性離子束，純度接近100%。產生衍射圖形的電子在附近的存儲環(huán)內循環(huán)運動。雖然新產生的離子可以容易地輸送到這個環(huán)中，但還需聚集起來才能達到足夠大的碰撞亮度。

研究人員為捕獲在循環(huán)電子束中的離子已經(jīng)工作了很多年。這種技術的主要進展在于使用循環(huán)電子的電力將離子推到中心軸。另一靜電勢同時作用于離子以防止離子離開軸線，作用類似于一對電磁光學鏡。用這種方法使限制住的離子形成一個靜止的靶。RIKEN團隊演示了世界上首次使用這種裝置來研究穩(wěn)定核靶，只使用少量的1千萬個離子便達到了足夠高的亮度。該團隊最近的實驗展示了在線產生的銫-137放射性核靶的研究結果。

研究人員使用磁譜儀探測散射電子，得到電子的角分布，換言之，得到衍射圖形。使用電子作為電磁探針的優(yōu)點是電子與核的相互作用可用量子電動力學理論精確地描述。這意味著核結構信息可以直接從衍射數(shù)據(jù)中提取，無需對將核束縛在一起的強力進行修正。在實驗探測的能量范圍內，來自非彈性散射和核的磁性對散射圖形的貢獻很小，可以忽略，使分析得到進一步簡化。

分析結果并不令人驚奇：該團隊的觀測與原子核銫-137的電荷密度一致，在中心區(qū)電荷密度接近常數(shù)，而在中心區(qū)以外，電荷密度在相對較大的范圍內衰減。未來這種技術可以用于探測遠離穩(wěn)定谷的核，預期這些核具有更特殊的結構，如伸長的或扁平的球形結構，或軸不對稱的核子分布。這些研究不僅將深化我們對于核結構的認識，還將促進對天體物理中關于核合成的了解。

審核編輯：劉清