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为什么一個原子核不是圆的？

2025-06-02 06:28阅读：

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为什么一個原子核不是圆的？
By Victoria Atkinson published 1 hour ago
Physics & Mathematics
在教科书中原子核往往被描绘成圆形，但原來是它们罕見的是球形的。
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为什么一個原子核不是圆的？

一個原子的原子核（這裏看为蓝和紫的）罕見的是圆形的，即便许多教科书这样描绘它。 (Image credit: vchal via Getty Images)

自 1911 年原子核被首次提出以来，物理学家们只是假定它是圆形的。
但原子的核真的是圆形的吗？直覺上这种形状有意義的，物理学家相信它合適的解释了早期的核屬性的测量。不是直到数年后一個更复杂的圖片的第一個證據开始了浮現爲止。
首先，让我们探究原子的结构。英国约克大学核物理学家大卫-詹金斯（David Jenkins）说，從在一個原子的中心的一群質子和中子形成，一個原子核比一個整個原子更小一万倍'就像在一個大教堂里的一只苍蝇一樣”。儘管包含一個原子質量的絕大部分，但乍一看原子核本身幾乎對原子的屬性沒有影響。一個原子的化学被电子結構决定，而物理特性源自它與其它原子多相互作用的。
并行的在原子物理學中的电子外壳的想法，1949 年科学家们提出了核外壳模型：质子和中子位于分明的核外壳中，额外的能量输入能激发这些粒子在固定能级之间上下跳动。
詹金斯告诉《生活科学》雜志，'但后来原子核中的大部分行为都被你叫集体行为的描述變得明顯的--它作为一个连贯的物体行动。结果是原子核作为一个整体能表现两种類型的屬性： 它能旋转或它能振动。
光谱方法能在大多数分子中检测这种旋转，测量不同旋转能级的一個指纹。但球形物体无论它們轉向哪个方向看起来是一样的，因此对称系统--如原子--不产生一個光谱。
詹金斯解释说，'你能看原子核中旋转的证据的唯一方式是是否原子核被变形。人们看到原子核有被称为旋转带的激发模式，如此那個指向被变形的原子核'。
自 20 世纪 50 年代这一惊人发现以来，针对性的实验已经揭示了从梨到 M&M一系列的原子核形状，而圆形是很多的例外而非规则。大约 90% 的原子核在它們的最低能量状态中形状像一個美式足球一樣，技术上称为 “扁圆变形”，而令人吃惊少的采取相反的壓扁形状、M&M一樣形狀、叫 “扁圆变形”的。
詹金斯说，'我们不知道为什么这种长形形狀似乎比扁圆形更有利。有些原子核也有多种形状因此它们在基态能展示一种形状，然后你对它们放一些能量它们变形为另一种形状” 。
更異域的梨形原子核被限制到原子核图的某些区域，特别是圍繞镭，而球形原子核一般被約束到有“神奇 ”的原子核粒子的数目（或全壳）。但什么造成这种变形呢？
英国萨里大学核物理学家保罗-史蒂文森（Paul Stevenson）说，“一個物體的基本形狀没有被激发或者摇摆的或拉伸的应该是球形的是直覺的感觉。但实际上在原子核的案例中，它们中的任何一个是球形的是令人惊讶的，因为它们遵守量子力学的法則” 。
薛定谔方程--量子力学中最基本的原理之一--数学上预测一個物体的波函数将如何随时间变化，本質上提供一种來估计那個物体可能的运动和位置的手段。为一個原子的原子核求解这个因此提供它可能是的所有可能的地方的一朵概率云，综合起来給出原子核的形状。
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—What is the smallest particle in the universe? (What about the largest?)
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斯蒂文森解释说，'薛定谔方程的基本解看起来不是球形的--你会看到这些那種在一個圆圈中走但然後它們开始波動的形状。因此，因爲这些量子波函数解它們本身有不对称性，这使得原子核中的粒子更可能指向一个方向”。
对罕见的球形原子核这种波性恰好抵消掉。但科学家们还不理解這個原因或是否甚至有一個为什么有些变形的形状比其它的遠更常见。
詹金斯说， “这是颠覆一個传统。这完全從人们最初如何感知了原子核逆轉，还有很多開放的问题”。
https://www.livescience.com/physics-mathematics/why-isnt-an-atoms-nucleus-round

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