接力赛，一定是体育场上最令人血脉偾张的项目之一了。而在比原子还要小亿万倍的原子核的世界里，竟然也上演着一场别开生面的“接力赛”。

  在近期发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）的一项研究中，科学家们通过研究稀有原子核的特殊状态，揭开了一场由中子和质子完成的奇特接力。

  被锁住的高能量态

  要理解这项发现，我们得先认识一下原子核这个微观世界里的重要角色。

  原子核由带正电的质子和不带电的中子组成。就像电子在原子中分层排布一样，原子核中的质子和中子也按照能级高低依次排布，形成类似的壳层结构。当质子或中子的数目恰好填满一个壳层时，原子核会变得格外稳定，这些特殊的数字被称为“幻数”。

  在通常情况下，原子核处在能量最低的状态——“基态”。但在外界作用下，例如核与核之间的碰撞，原子核也可能被“激发”到更高能量的状态——“激发态”。绝大多数激发态都极不稳定，会瞬间通过发射伽马射线等方式释放多余能量，从而回到基态。

  然而，在某些特殊结构下，原子核可以在激发态“滞留”较长时间，迟迟不退回基态。这些寿命显著延长、相对稳定的激发态，被称为“同核异能态”（下文简称异能态）。

  从1921年奥托·哈恩首次发现异能态开始，科学家们已经发现了约2600个半衰期大于10纳秒的异能态。因其长寿命特性，异能态不仅在能源、医疗等领域具有潜在的应用价值，也是窥探原子核结构的重要窗口。

  最长的异能态链

  人们发现，在幻数核及其邻近核中，往往更容易形成异能态。在核素图上，靠近中子幻数82、中子数80的偶偶核中就存在着一条引人注目的“异能态链”。

  在这条链上，自旋宇称为10⁺的异能态从丰中子核钯-126一直延伸至缺中子核铒-148，在十二个偶偶核（质子数由46到68）中连续出现，形成了核素图上最长的10⁺异能态链。

  图 异能态在核素图（部分）上的分布。图中28, 50, 82和126为原子核的幻数。图源| Physical Review Letters

  然而，自1982年在铒-148中发现异能态以来，寻找下一个成员——镱-150中（质子数为70）的异能态，却迟迟没有进展。镱-150是一个极度缺中子的核素，科学家们在实验室里产生它都相当困难，以至于它究竟还存不存在异能态，异能态链还能否延续至质子滴线核区，成了四十多年来的未解之谜。

  镱-150异能态的发现

  镱-150在核反应中产生的几率极低。在海量反应产物中，它的产额微乎其微，其出现就像是一闪而过的“微光”，几乎淹没于其他产物带来的高额本底之中。要从中辨认出镱-150的踪迹，必须依靠精密的实验设计与巧妙的关联分析。

  为了寻找镱-150中的异能态，中国科学院近代物理研究所的科研人员与合作者在芬兰于韦斯屈莱大学加速器实验室开展了一次实验。他们首先利用镍-58束流轰击钌-96靶，发生核反应产生目标原子核镱-150。然后，借助反冲分离器对反应产物进行筛选，并将镱-150传输至焦平面探测系统。最后，通过对镱-150注入与衰变信号之间的时间和空间关联，追寻异能态的衰变信号。

  图 实验装置示意图。图源| Physical Review Letters补充材料

  在持续一百多个小时的数据累积后，这个“隐匿于沧海”的微弱信号终于显现。研究人员确认了镱-150中异能态的存在，鉴别出自旋宇称为10⁺，并构建了其衰变纲图。经过测定，该异能态的寿命约为0.62微秒——不到短短百万分之一秒，却已堪称核激发态中的“长寿老人”（大多数激发态寿命在纳秒以下）。

  至此，10⁺异能态链继续向前延伸了一环。四十余年的等待，终于迎来答案。

  一场奇特的“接力赛”

  大家或许以为故事已近尾声，其实好戏才刚刚上演。镱-150异能态的首次发现，不仅补上了10⁺异能态链的最后一环，更为重新研究整条链的性质提供了一个绝佳机会。一个最自然的问题随之浮现：为什么这条异能态链最长？

  要回答这一问题，研究人员利用了一个关键的物理量——朗德g因子。这个实验可测的物理量，本质上记录着原子核自旋与磁矩之间的关系，如同一枚指纹，让原本“掩面而藏”的核组态变得清晰可辨。他们对g因子实验数据进行系统分析，并结合在同济大学超算平台上开展的理论计算，揭示出一个前所未见的现象：这条异能态链在延续过程中发生了一次 “接力”。

  原来，这些异能态可分为两组：一组源于双中子组态，即两个中子耦合形成的结构，能量主要由中子携带；另一组源于双质子组态，即两个质子耦合形成的结构，能量主要由质子携带。它们仿佛接力赛中的两名选手，在钐-142与钆-144之间完成了一次完美的交接：中子组态毫不拖泥带水地转变为质子组态，将异能态的长寿命特性传递了下去。

  正是这场发生在原子核间的接力赛，使这串10⁺异能态序列得以继续向更缺中子区域延伸，成为核素图上最长的异能态链之一。

  图 异能态接力示意图。图| 张文强

  还会有下一棒吗？

  “同核异能态接力”机制的首次发现，再次刷新了我们对原子核内部世界的认知。镱-150是否是这条10⁺异能态链的终点？要回答这一问题，我们需要把目光投向下一个中子数为80的偶偶核——铪-152。与镱-150相比，铪-152更加缺中子，产生几率更低，目前仍属于未知原子核，其合成与鉴别难度可想而知。

  然而，未来并非遥不可及。在即将在广东惠州投入运行的强流重离子加速器装置（HIAF）上，依托其提供的高品质、高强度束流，科学家们有望合成铪-152并探寻预期的异能态，以检验这条异能态链是否还能继续向质子滴线方向延伸。

  科学探索的“接力”没有终点，或许就在不久的将来，我们将会揭开下一棒的答案。

  作者：张文强 中国科学院近代物理研究所 副研究员，刘忠 中国科学院近代物理研究所 研究员

  参考文献：

  S. Garg, B. Maheshwari, B. Singh, Y. Sun, A. Goel, and A. K. Jain, At. Data Nucl. Data Tables 150, 101546 (2023).

  P. M. Walker and Z. Podolyák, Nuclear isomers, in Handbook of Nuclear Physics, edited by I. Tanihata, H. Toki, and T. Kajino (Springer Nature, Singapore, 2023) pp. 487–523