原子核衰变的类型有哪几种(原子核衰变公式)

在原子核中，有一个主要的衰变模式——β衰变，这是一个质子转化为中子的过程(反之亦然)。它是宇宙中恒星爆炸和重元素合成的微物理过程的核心。

虽然β衰变如此重要，但我们还没有完全理解它。在过去的50年里，物理学家一直困惑于一个问题:为什么在原子核中观测到的β衰变率小于自由中子的β衰变率？物理学家一直无法从第一原理中找到合理的解释。直到最近，一项由美国橡树岭国家实验室(ORNL)科学家参与的国际合作终于在半个世纪前解决了这个难题。

为了解决这个问题，研究小组模拟了锡-100衰变为元素周期表上它的邻居元素-铟-100的过程。这两种元素的核子(质子和中子)数量相同，但不同的是，锡-100有50个质子，而铟-100有49个质子。

要精确计算β衰变，不仅要精确模拟母核和子核的结构，还要考虑两个核在蜕变过程中的相关相互作用。这种额外的考虑给研究人员带来了巨大的计算困难。

过去，核物理学家通过插入一个基本常数来协调观测到的衰变率之间的差异，这种做法被称为“熄火”。但是研究小组发现，有了像ORNL的泰坦超级计算机这样的机器，就没有必要人为地插入一个数学常数。

ORNL大学的计算科学家古斯塔夫·詹森说:“没有人真正理解为什么熄火因素会起作用。我们发现这个问题很大程度上可以通过衰变中包含两个原子核来解释，比如两个质子衰变为一个质子和一个中子，或者一个质子和一个中子衰变为两个中子。”

○第一性原理计算表明，与自由中子中的β衰变相比，原子核中的β衰变会因两个原子核之间的强关联和相互作用而变慢。图片来源:美国能源部，安迪·斯普劳斯/奥克里奇国家实验室

许多元素的放射性同位素的衰变会持续很长时间。例如，碳14的半衰期是5730年。但也有其他原子核衰变很快，在它们发射粒子并变得稳定之前只会存在不到一秒钟。

中子的β衰变过程释放出一个电子和一个反中微子。当锡-100转化为铟-100时，原子核发生正β衰变，质子转化为中子，释放出一个正电子(电子的反粒子)和一个中微子。

Tin -100具有相同的质子数和中子数，因此表现出异常高的衰变率，这为研究团队验证结果提供了强有力的信号。另外，Sn -100核是“双幻核”，它的质子数和中子数都是50的幻数，这样当核填充到核内定义的壳层时，就会使核具有很强的束缚性，结构相对简单。研究小组使用了一个名为NUCCOR的代码来解决核编程的多体问题。这个代码擅长在核素图中描述双魔核。

另一位研究人员托马斯·帕彭布罗克(Thomas Papenbrock)说:“像Tin -100这样的双魔核并不像许多其他原子核那样复杂。因此，我们可以用耦合团簇方法来可靠地计算它。这种方法将考虑到单个原子核之间的作用力，并据此计算大原子核的性质。”

然而，为了模拟β衰变，研究小组还必须计算铟-100的结构，这是一种比tin -100这样的双魔核更复杂的原子核，因此需要更精确地处理原子核之间的强关联。研究团队借鉴了量子化学中将电子视为波的思想，最终成功开发出模拟这些过程的技术。

ORNL的物理学家Titus Morris说，“在这个例子中，我们处理的是原子核而不是电子，但是量子化学的概念帮助我们走出双魔核，扩展到具有开放核壳的区域。”

宇宙中与物质形成有关的一些问题是最令人困惑的谜团，这一成果让物理学家更有信心找到这些问题的答案。研究小组已经证明，他们对β衰变的理论计算和实验一样准确，他们希望使用像ORNL的Summit超级计算机这样的强大机器来指导当前和未来的实验。

除了传统的β衰变，研究人员还希望计算无中微子的双β衰变，即两个中子衰变为质子，而不释放任何中微子。如果观测到这一过程，将开启重要的新物理学，并有助于确定中微子的质量。他们目前正在使用Summit模拟另一个双魔核钙-48，研究它如何经历无中微子双β衰变。

ORNL的科学家Gaute Hagen说:“目前，用于研究无中微子双β衰变的不同核模型之间可能存在6倍的差异。我们的目标是为其他模型和理论提供一个基准。”

参考链接:

https://www . ornl . gov/news/ornl-led-collaboration-solves-beta-decay-puzzle-advanced-nuclear-models

https://www.nature.com/articles/s41567-019-0450-7