介紹一種飛米級(jí)電子顯微鏡的原理

本文介紹了一種飛米級(jí)電子顯微鏡的原理，未來(lái)這種技術(shù)有望用于探測(cè)遠(yuǎn)離穩(wěn)定谷的核。

自從Robert Hofstadter及其合作者在20世紀(jì)50年代的測(cè)量工作以來(lái)，人們已經(jīng)知道，原子核不是點(diǎn)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(xiàng)獲得諾貝爾獎(jiǎng)的研究使用加速器產(chǎn)生的高能電子束轟擊靶材料，并檢測(cè)電子被偏轉(zhuǎn)的方向，揭示出核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和確切的空間電荷分布。

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

一塊碳化鈾產(chǎn)生的放射性銫-137被注入到電子儲(chǔ)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(gòu)銫核的特性

該團(tuán)隊(duì)利用了一種通常用于光學(xué)分析技術(shù)的現(xiàn)象。當(dāng)激光通過(guò)一個(gè)小孔時(shí)產(chǎn)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(qiáng)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(xì)節(jié)。量子力學(xué)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(xué)，我們可以根據(jù)被樣品偏轉(zhuǎn)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(dāng)入射電子能量在幾百兆電子伏時(shí)，原子核的內(nèi)部電荷分布的分辨率可達(dá)幾飛米。

這種技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于許多穩(wěn)定核以及幾種長(zhǎng)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(xué)家的探索還不能超出穩(wěn)定谷，預(yù)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(gè)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(nèi)。

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(chǎn)生在自然界不存在的放射性同位素。RIKEN團(tuán)隊(duì)用來(lái)自另外一臺(tái)加速器產(chǎn)生的高能電子轟擊一塊碳化鈾，產(chǎn)生了銫-137放射性離子束，純度接近100%。產(chǎn)生衍射圖形的電子在附近的存儲(chǔ)環(huán)內(nèi)循環(huán)運(yùn)動(dòng)。雖然新產(chǎn)生的離子可以容易地輸送到這個(gè)環(huán)中，但還需聚集起來(lái)才能達(dá)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(shù)的主要進(jìn)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(shì)同時(shí)作用于離子以防止離子離開(kāi)軸線，作用類似于一對(duì)電磁光學(xué)鏡。用這種方法使限制住的離子形成一個(gè)靜止的靶。RIKEN團(tuán)隊(duì)演示了世界上首次使用這種裝置來(lái)研究穩(wěn)定核靶，只使用少量的1千萬(wàn)個(gè)離子便達(dá)到了足夠高的亮度。該團(tuán)隊(duì)最近的實(shí)驗(yàn)展示了在線產(chǎn)生的銫-137放射性核靶的研究結(jié)果。

研究人員使用磁譜儀探測(cè)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(diǎn)是電子與核的相互作用可用量子電動(dòng)力學(xué)理論精確地描述。這意味著核結(jié)構(gòu)信息可以直接從衍射數(shù)據(jù)中提取，無(wú)需對(duì)將核束縛在一起的強(qiáng)力進(jìn)行修正。在實(shí)驗(yàn)探測(cè)的能量范圍內(nèi)，來(lái)自非彈性散射和核的磁性對(duì)散射圖形的貢獻(xiàn)很小，可以忽略，使分析得到進(jìn)一步簡(jiǎn)化。

分析結(jié)果并不令人驚奇：該團(tuán)隊(duì)的觀測(cè)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(duì)較大的范圍內(nèi)衰減。未來(lái)這種技術(shù)可以用于探測(cè)遠(yuǎn)離穩(wěn)定谷的核，預(yù)期這些核具有更特殊的結(jié)構(gòu)，如伸長(zhǎng)的或扁平的球形結(jié)構(gòu)，或軸不對(duì)稱的核子分布。這些研究不僅將深化我們對(duì)于核結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，還將促進(jìn)對(duì)天體物理中關(guān)于核合成的了解。

審核編輯：劉清