研究人員精確測量鈹原子的電磁屏蔽效應(yīng)

原子的電子殼層充當(dāng)“電磁屏蔽”，阻止直接接觸原子核及其特性。海德堡馬克斯·普朗克核物理研究所所長克勞斯·布勞姆 (Klaus Blaum) 領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊現(xiàn)已成功精確測量了鈹原子中這種屏蔽的效果。這項研究發(fā)表在《自然》雜志上。

鈹-9 磁矩的測定精度比以前提高了 40 倍。這種精確的測量不僅與基礎(chǔ)物理學(xué)相關(guān)，而且還有助于我們深入了解核磁共振的某些應(yīng)用，這些應(yīng)用可用于化學(xué)和高精度磁場測量。

“防護(hù)罩開啟!”：《星際迷航》的粉絲對這個命令并不陌生。自然科學(xué)研究人員也知道類似的東西——電磁殼起著保護(hù)盾的作用，通常會阻礙人們接近其原子核。這在化學(xué)中會產(chǎn)生影響，例如，通過核磁共振研究化學(xué)性質(zhì)。

這種方法類似于磁共振成像。不過，它不是產(chǎn)生活體圖像，而是提供被研究物質(zhì)的高精度化學(xué)指紋。這兩種方法都使用強(qiáng)磁場，并且基于一些原子核是小磁鐵的事實——就像微小的指南針一樣。

在強(qiáng)磁場中，它們可以開始以圓周運(yùn)動旋轉(zhuǎn)。就像在課堂實驗中，磁鐵通過感應(yīng)線圈移動一樣，原子的這種運(yùn)動與周圍的電子殼相互作用。當(dāng)電子組成化學(xué)鍵時，進(jìn)動原子核的信號會提供有關(guān)其化學(xué)環(huán)境的非常精確的信息。

三體問題

現(xiàn)在，人們可能會認(rèn)為，在現(xiàn)代物理學(xué)中，原子核的磁矩和電子殼層的屏蔽效應(yīng)是可以精確計算的。然而，海德堡研究所負(fù)責(zé)此類理論計算的 Zoltan Harman 證實，事實并非如此。原因——通常情況下——是一個根本問題，即無法精確計算由兩個以上物體組成的系統(tǒng)。

這適用于恒星系統(tǒng)中的行星軌道，也適用于原子，原子的電子只能位于原子核周圍的某些量子化能量軌道上。此外，原子核本身無法精確計算。即使是最簡單的原子核，即氫中的單個質(zhì)子，也由三個夸克組成，它們以復(fù)雜的方式相互作用。

“因此，理論家只能計算出這種核矩，誤差約為千分之一，”斯蒂芬·迪科普夫說。因此，對于核磁共振和基礎(chǔ)物理中的應(yīng)用來說，高精度實驗非常重要，因為這樣可以比計算更準(zhǔn)確地測量此類特性。

Klaus Blaum 的團(tuán)隊利用所謂的 Penning 阱開發(fā)出了一種性能世界一流的方法。這種方法可以非常精確地測量原子核的磁性。Andreas Mooser 領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊的首席博士生 Stefan Dickopf 現(xiàn)已對同位素鈹-9 進(jìn)行了此類測量。

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