中国科学家在核物理学重大突破：发现首个"三质子连锁衰变"原子核

景点排名 2025年07月27日 08:38 0 aa

中国科学院近代物理研究所的科学家团队在德国GSI重离子研究中心发现了一种前所未见的原子核——铝-20，这一发现彻底改写了人类对原子衰变过程的认知。这种极不稳定的同位素通过史无前例的三质子连续发射过程进行衰变，不仅挑战了长期以来关于核结构的基本假设，还可能揭示原子粒子基本对称性的破缺现象。

铝-20是迄今发现的最轻的铝同位素，位于质子滴线之外，比稳定的铝同位素少了七个中子。这种极端的中子缺乏状态使其成为探索核稳定性边界的理想研究对象。研究团队使用飞行中衰变方法，通过测量衰变过程中发射粒子的角度模式，成功确认了铝-20的存在并观察到其独特的分解过程。

一种新发现的铝同位素以罕见的顺序喷射三个质子，迅速自毁，动摇了我们对原子衰变的理解。来源：Shutterstock

该项研究成果于7月10日发表在《物理评论快报》上，标志着核物理学领域的一个重要里程碑。这是科学家首次观测到"三质子衰变链"现象，为理解极端核素的行为开辟了全新的研究方向。

突破性的衰变机制

传统的放射性衰变过程相对简单，通常涉及单一类型粒子的发射。然而，铝-20展现出的衰变过程极为复杂和戏剧性。通过对角关联的详细分析，研究人员发现铝-20基态首先通过发射一个质子衰变为镁-19的中间基态，随后镁-19基态通过同时发射两个质子进行后续衰变。

中科院近代物理研究所副研究员徐小东作为该研究的第一作者解释说："铝-20是第一个被观测到的三质子发射体，其单质子衰变子核是一个双质子放射性核。"这种独特的衰变模式打破了传统核物理学的认知框架，为研究质子滴线外核素的结构和衰变提供了全新视角。

更为重要的是，研究人员发现铝-20基态的衰变能量显著小于同位旋对称性推断的预测值，这表明在铝-20及其镜像伙伴氖-20中可能存在同位旋对称性破缺现象。这一发现得到了最先进理论计算的支持，预测铝-20基态的自旋宇称与氖-20基态的自旋宇称不同。

极端核素研究的新前沿

铝-20的三个质子发射图。署名：徐晓东

这项发现的意义远超单一同位素的发现本身。在已知的3300多种核素中，只有不到300种是稳定的并自然存在。其余的不稳定核素都会发生放射性衰变。在20世纪中期，科学家发现了常见的衰变模式，包括α衰变、β衰变、电子俘获、γ辐射和裂变等。

然而，近几十年来，由于核物理实验设施和探测技术的巨大发展，科学家在研究远离稳定性的核素时发现了几种奇异的衰变模式，特别是在缺中子核素中。20世纪70年代，科学家发现了单质子放射性；进入21世纪后，在一些极端缺中子核素的衰变中发现了双质子放射性；近年来，甚至观察到了更罕见的三质子、四质子和五质子发射现象。

铝-20的发现将这一研究推向了新的高度。徐小东指出："这项研究促进了我们对质子发射现象的理解，并为质子滴线外核素的结构和衰变提供了新的见解。"

国际合作的科学成就

这项突破性研究是国际合作的结果，涉及中科院近代物理研究所、德国GSI研究中心、复旦大学以及十多个其他机构的科学家。实验在德国达姆施塔特GSI重离子研究中心的碎片分离器设施上进行，利用了世界最先进的核物理研究设备。

该研究得到了中国国家重点研发计划、中科院院长国际奖学金倡议和国家自然科学基金等多项资助的支持，体现了中国在基础科学研究方面的持续投入和国际影响力的不断提升。

这一发现不仅推进了人类对原子核结构的基本理解，也为未来的核物理研究开辟了新的方向。通过研究这些极端条件下的原子核，科学家能够更好地理解宇宙中元素的形成过程，以及恒星内部的核反应机制。

理论与实验的完美结合

铝-20的发现还展示了现代核物理研究中理论与实验相结合的重要性。研究团队不仅成功观测到了这种罕见的衰变现象，还通过先进的理论计算对实验结果进行了深入分析和解释。

这种多质子发射现象的发现，为理解核力的本质和核结构的稳定性机制提供了新的实验证据。同时，同位旋对称性破缺的观测结果也为核物理理论的进一步发展提供了重要的实验约束。

随着实验技术的不断进步和理论模型的完善，科学家有望在未来发现更多类似的奇异核素，进一步拓展人类对物质世界基本规律的认识。铝-20的发现标志着核物理学进入了一个新的探索阶段，为理解宇宙中最基本的构建块——原子核的行为提供了前所未有的洞察。

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