原子核结构（精确计算原子核的结构？）

这项新研究为精确计算原子核结构开辟了道路。在一项将实验研究与超级计算机理论计算相结合的研究中，科学家们确定了硼的两种同位素的核几何形状。这一结果将为科学家精确计算其他原子核的结构开辟一条道路，科学家可以通过实验验证这些结构。美国能源部阿贡国家实验室的研究人员与德国和波兰的科学家合作，测量硼-10和硼-11之间的核电荷半径差异。

核电荷半径表示原子核的大小，原子核的边缘通常是模糊的。由于中子和质子的数量很大，它们的性质和相互作用必须从量子力学中推导出来，所以对于比硼大得多的原子，很难精确计算出核电荷半径。

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原子核理论基于量子色动力学(QCD)，这是一套适用于构成原子核中质子和中子的夸克和胶子的物理规则。然而，由于量子色动力学的复杂性，仅仅用量子色动力学几乎不可能解决核电的问题，研究人员必须依赖至少一些简化的假设。

由于硼相对较轻(只有5个质子和少量中子)，研究小组在Mira超级计算机上成功模拟了这两种硼同位素。通过激光光谱学对它们进行了实验研究。Mira是美国能源部科学用户设施办公室阿贡领导计算设施(ALCF)的一部分。领导这项研究的来自氩的核物理学家彼得·米勒说:这是最复杂的原子核之一。这些精确的测量可以通过实验和理论推导获得，以观察硼-11 (11B)和硼-10 (10B)的核构型如何不同。

(博科花园-插图)硼原子示意图，照片:艾伦·维斯/阿贡国家实验室

这涉及在非常小的长度尺度上测量:小于飞兆的百万分之一米。一个违反直觉的发现。研究人员已经确定，硼-11中的11个原子核实际上比硼-10中的10个原子核占据更小的体积。为了开展硼同位素的实验研究，达姆施塔特大学的科学家们对同位素样品进行了激光光谱分析，同位素样品在不同频率下发出荧光。物理学家罗伯特·维林加解释说:虽然荧光模式的差异主要是由于同位素之间的质量差异，但测量中的一个成分反映了原子核的大小。

为了分离这些成分，华沙大学和波兹南亚当·米奇维茨大学的合作者进行了最先进的原子理论计算，精确地描述了五个电子围绕硼原子核的复杂运动。早期的电子散射实验无法确定哪个更大。通过使用激光光谱学，我们可以确定额外的中子如何更紧密地与硼-11结合。关于原子核大小的实验和理论之间的良好一致，使研究人员能够更有把握地确定同位素的其他特性，如它的衰变率。计算和实验的能力可以同时验证和强化其发现。

下一阶段的研究可能涉及对硼-8的研究，硼-8不稳定，在衰变前只有大约一秒钟的半衰期。由于原子核中的中子较少，它的禁闭比它的稳定邻居小得多，人们认为它的电荷半径较大。这是一个预测，但只有实验才能告诉我们，它实际上在多大程度上模拟了这个松散结合的系统。其研究结果发表在《物理评论快报》上。