碳元素的基態核外電子排布（紅巨星快速生產碳元素的奧秘）

2023-04-17 19:53:29 2

碳原子核被觀察到以三角形狀態旋轉

物理學家發現了新的重要證據，表明地球生命的基礎構成之一——碳12原子核具有類似於等邊三角形的結構。這一證據由英國、墨西哥和美國的物理學家通過測量一個快速旋轉的原子核旋轉狀態時取得。這一發現表明，在紅巨星碳形成過程中起重要作用的碳-12的「霍伊爾狀態」也具有相同的形狀。相對而言，這一理論預測表明，霍伊爾態更像是鈍角三角形或「彎曲的手臂」。

（伯明罕大學的回旋加速器）

宇宙中所有的碳原子都是由兩個α粒子（氦-4原子核）在紅巨星中融合形成一個壽命較短的鈹-8原子核，然後捕獲第三個α粒子形成碳-12。但是，這種反應最初是如何發生的，物理學家對此依然非常困惑，根據他們對碳-12的早期理解，碳-12的反應進行的太慢，無法解釋宇宙中的碳含量如此之高。之後在1954年，英國的天文學家Fred Hoyle預言，碳-12有一個迄今未知的激發態，現在被稱為霍伊爾態，它可以提高碳-12的產生速度。

3年後，霍伊爾態被加州理工學院的物理學家通過實驗證實。然而，碳-12核中質子和中子的精確排列仍然是一個爭論不休的問題。一些物理學家認為碳-12是12個相互作用的核中最好的一個，但另一些人認為，碳-12原子核可以被看作3個結合在一起的α粒子。後一種模型的合理性在於α粒子是非常穩定的，因此很可能在碳-12原子核內存在。

分子激發

如果碳-12確實由3個α粒子構成，分子物理學可以提供關於這些粒子是如何排列的重要線索。2000年，墨西哥國立自治大學（UNAM）的Roelof Bijker和耶魯大學的Francesco Iachello提出，三個α粒子可以安排在一個等邊三角形中，其中三個α粒子都在同一平面內。這種結構於五年前在三原子氫分子離子H3 中就已經發現了。

現在，Bijker與伯明罕大學的Martin Freer及其同事以及康乃狄克大學的Moshe Gai聯手，獲得了迄今為止最好的實驗證據，證明碳-12的形狀確實像一個等邊三角形。實驗是在伯明罕的回旋加速器上進行的，通過向碳靶發射一束α粒子，產生處於高自旋狀態的碳-12原子核。事實上，原子核的旋轉速度非常快，甚至會撕裂並發射出α粒子。

通過測量α粒子的能量和角度分布，研究小組觀察到了一種前所未有的高速自旋狀態。當與先前實驗中測量到的四個低自旋態一起分析時，新的數據強烈地表明，碳-12核類似於一個等邊三角形，它像一個三個尖端的齒輪一樣旋轉。

呼吸的原子核

這一描述適用於碳-12的基態旋轉帶，並且同樣對霍伊爾態也具有重要意義。由於霍伊爾態旋轉帶的光譜似乎與基態旋轉帶具有相似性——5個自旋態中的2個已經測量過。不過霍伊爾態的轉動慣量似乎比基態大，這表面霍伊爾態是一種「呼吸模式」，即等邊三角形的擴張。膨脹的原子核本身可以自旋，產生一系列類似於碳-12基態帶的激發態。

這種指向霍伊爾態是等邊三角形的證據似乎與計算結果不符，計算表明，霍伊爾態更接近一個鈍角三角形。然而，α衰變測量並不能為物理學家提供原子核形狀的完整圖像。唯一確定原子核結構的方法是研究自旋態衰變發射出的伽馬射線。雖然這類研究在核物理學中很常見，但對於碳-12來說非常困難，因為原子核發射α粒子衰變的概率比發射伽馬射線衰變的概率大的多。