每天，我們都在與鋁打交道。廚房里的鋁箔、手中的易拉罐、窗外的鋁合金門窗……這些日常用品中的鋁，都是自然界中唯一穩(wěn)定存在的鋁同位素——鋁-27。

然而，在鋁元素的家族里，還隱藏著一些“轉(zhuǎn)瞬即逝”的成員。2025年7月，中國科學(xué)院近代物理研究所的科研團(tuán)隊與國內(nèi)外合作者一起，首次捕捉到了一個極其罕見的現(xiàn)象：新發(fā)現(xiàn)的最輕鋁同位素——鋁-20原子核通過釋放三個質(zhì)子的方式進(jìn)行衰變。

這就像在微觀世界的盡頭，原子核正在上演一場前所未有的“逃逸游戲”——脆弱的鋁-20以驚人的方式掙脫束縛，完成蛻變。這一發(fā)現(xiàn)不僅刷新了我們對鋁元素的認(rèn)知，更為探索原子核存在的極限打開了新的窗口。

從廚房鋁箔到核物理前沿：同位素的奇妙世界

在日常生活中廚房用具常見的穩(wěn)定同位素鋁-27、脆弱的鋁-20中，“27”“20”這些數(shù)字代表著什么呢？

穩(wěn)定同位素鋁-27中的“27”就表示鋁原子核中質(zhì)子和中子的總數(shù)：13個質(zhì)子（這決定了它是鋁元素）加上14個中子。

但在核物理學(xué)家的世界里，鋁元素遠(yuǎn)不止這一種形態(tài)。就像氫元素?fù)碛须?個質(zhì)子）、氘（1質(zhì)子+1中子）、氚（1質(zhì)子+2中子）這“三兄弟”一樣，鋁元素也存在著一個龐大的同位素家族。

通過在實驗室中人工制造，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了從鋁-21到鋁-43的二十多種鋁同位素。它們都有著相同的質(zhì)子數(shù)（13個），但中子數(shù)各不相同。就像同一個家族的兄弟姐妹，雖然都姓“鋁”，但卻各有各的特點。

氫元素的三種天然同位素

（圖片來源：維基百科 Dirk Hünniger）

這些人造的鋁同位素都是不穩(wěn)定的，會通過各種方式發(fā)生放射性衰變。越是遠(yuǎn)離穩(wěn)定的鋁-27，它們就越不穩(wěn)定，存在的時間也越短。作為其中最新發(fā)現(xiàn)的成員，鋁-20比它性質(zhì)穩(wěn)定的“兄弟”——鋁-27少了整整7個中子，從原子結(jié)構(gòu)上來看，它就像一座搖搖欲墜的積木塔，隨時可能崩塌。

質(zhì)子滴線：原子核世界的懸崖邊緣

要理解鋁-20的特殊性，我們需要先了解一個概念——質(zhì)子滴線。想象一下，如果把所有已知的原子核按照質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)排列在一張圖上（稱為核素圖），穩(wěn)定的原子核會聚集在中間形成一條“穩(wěn)定谷”。而在這個谷的兩側(cè)，越往左右兩邊推進(jìn)，同位素的原子核就越來越不穩(wěn)定。

核素圖（示意圖）

（圖片來源：澳大利亞國立大學(xué)物理研究院）

當(dāng)原子核中的中子數(shù)過少時（對應(yīng)核素圖的左側(cè)），質(zhì)子之間的電磁排斥力會更加突出。原本來說，中子在原子核中扮演著“調(diào)和劑”的角色，通過強核力幫助克服質(zhì)子間的電磁排斥，產(chǎn)生一定的束縛作用，避免原子核解體。當(dāng)中子太少時，這種平衡被打破，多余的質(zhì)子就會“滴落”出來。這條核素圖中的左側(cè)界限就是質(zhì)子滴線——原子核能夠束縛質(zhì)子的極限邊界。質(zhì)子滴線可以通過理論計算予以預(yù)測，也可以通過實驗進(jìn)行測量。理論值和預(yù)測值有時會產(chǎn)生差異，鋁-20就是很好的例子。

鋁-20恰好位于理論滴線之外，按照傳統(tǒng)認(rèn)識，它應(yīng)該是一個無法存在的質(zhì)子非束縛核——一旦形成就會立即發(fā)射質(zhì)子而衰變。然而令人驚訝的是，科學(xué)家確實制造出了鋁-20。雖然它只能存活不到一萬億分之一秒，但這個極短的壽命已經(jīng)足夠讓研究人員觀測到它獨特的三質(zhì)子發(fā)射衰變模式。

這一發(fā)現(xiàn)的意義遠(yuǎn)超出簡單地將鋁元素質(zhì)子滴線的實驗邊界從鋁-21推進(jìn)到鋁-20。它揭示了一個重要現(xiàn)象：即使是理論上不應(yīng)該存在的質(zhì)子非束縛核，也可能因為特殊的衰變路徑——比如需要同時發(fā)射多個質(zhì)子而獲得可測量的壽命。這不僅豐富了我們對核穩(wěn)定性邊界的理解，也提醒我們：在極端條件下，原子核可能展現(xiàn)出超越傳統(tǒng)理論框架的奇特行為。

核素圖局部（放大了核素圖的左下角，其中黑色部分是穩(wěn)定同位素，其余不穩(wěn)定同位素的放射性衰變方式見圖例），可見之前觀測到的最輕鋁同位素是鋁-21

（圖片來源：維基百科）

鋁-20的三質(zhì)子發(fā)射：俄羅斯套娃式的級聯(lián)衰變

原子核的衰變就像是一場精心編排的舞蹈。最常見的衰變方式包括α衰變（釋放出2個質(zhì)子和2個中子組成的氦核）、β衰變（中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子，釋放出電子）等。這些“經(jīng)典舞步”早在20世紀(jì)上半葉就被科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)并理解。

但隨著實驗技術(shù)的進(jìn)步，科學(xué)家們在極端不穩(wěn)定的原子核中發(fā)現(xiàn)了更多“新舞步”。1970年代，首次觀測到單個質(zhì)子的發(fā)射；2002年，發(fā)現(xiàn)了同時發(fā)射兩個質(zhì)子的現(xiàn)象；近年來，三質(zhì)子、四質(zhì)子甚至五質(zhì)子發(fā)射也相繼被發(fā)現(xiàn)。

三質(zhì)子發(fā)射極其稀有，就像三個舞者要在同一時刻、以完美的配合跳出舞臺。在已知的3300多種核素中，只有極少數(shù)會發(fā)生這種衰變。而鋁-20的三質(zhì)子發(fā)射更是獨特——它采用了一種“分步走”的策略。

鋁-20的衰變過程堪稱核物理版的“俄羅斯套娃”。研究團(tuán)隊通過精密的實驗發(fā)現(xiàn)，鋁-20并不是一次性釋放三個質(zhì)子，而是采用了一種巧妙的兩步策略。

第一步，鋁-20（13個質(zhì)子+7個中子）先釋放出一個質(zhì)子，變成鎂-19（12個質(zhì)子+7個中子）。這個過程極其迅速，幾乎在鋁-20形成的瞬間就發(fā)生了。

第二步更加精彩。鎂-19本身也是一個極不穩(wěn)定的原子核，它會立即通過雙質(zhì)子發(fā)射的方式衰變——同時釋放出兩個質(zhì)子，最終變成氖-17（10個質(zhì)子+7個中子）。

這種“質(zhì)子—雙質(zhì)子”的級聯(lián)衰變模式，就像打開一個俄羅斯套娃，里面還藏著另一個會“爆炸”的套娃。鋁-20因此成為實驗上發(fā)現(xiàn)的第一個具有雙質(zhì)子放射性“子核”的三質(zhì)子發(fā)射核。

鋁-20基態(tài)通過級聯(lián)的質(zhì)子-雙質(zhì)子發(fā)射的兩步過程進(jìn)行衰變。作為中間態(tài)的鎂-19基態(tài)具有雙質(zhì)子放射性，通過同時發(fā)射兩個質(zhì)子衰變?yōu)槟?17

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）

“飛行中衰變”：科學(xué)家如何捕捉瞬間即逝的鋁-20？

要研究只能存活不到一萬億分之一秒的原子核，需要極其精巧的實驗設(shè)計?？蒲袌F(tuán)隊在德國亥姆霍茲重離子研究中心，利用了一種叫做“飛行中衰變”的實驗技術(shù)。

整個過程就像是一場高速公路上的追車戲。首先，科學(xué)家們用高能粒子束轟擊目標(biāo)，產(chǎn)生各種碎片，其中就包括鋁-20。這些碎片以接近光速的速度飛行，通過磁場的篩選，不同的碎片會沿著不同的軌道前進(jìn)。

鋁-20在飛行過程中迅速衰變，釋放出的三個質(zhì)子和剩余的氖-17核會像煙花一樣向不同方向散開。通過精密的探測器陣列，科學(xué)家們可以同時捕捉到所有衰變產(chǎn)物的軌跡和能量，就像在高速攝影中定格住煙花綻放的瞬間。

最關(guān)鍵的是測量這些粒子之間的“角關(guān)聯(lián)”——它們飛行方向之間的夾角關(guān)系。這些角度信息就像是犯罪現(xiàn)場留下的線索，可以幫助科學(xué)家們重建衰變的完整過程，推斷出鋁-20采用的是級聯(lián)衰變而非直接的三質(zhì)子發(fā)射。

探索極限：尋找原子核存在的邊界

鋁-20的發(fā)現(xiàn)不僅僅是在鋁的同位素家族中增加了一個新成員，更重要的是它幫助我們理解原子核能夠存在的極限條件。每發(fā)現(xiàn)一個新的滴線核，就像在未知的領(lǐng)域插上一面旗幟，標(biāo)記出核物質(zhì)存在的邊界。

這項研究還展示了現(xiàn)代核物理實驗技術(shù)的威力。能夠制造、識別并研究只存在不到一萬億分之一秒的原子核，這在幾十年前是完全不可想象的。正是這些精密實驗技術(shù)的突破，讓我們能夠不斷推進(jìn)對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識邊界。

更深層的意義在于，這些極端條件下的原子核研究，猶如在特殊的微觀實驗室中開展實驗，有助于我們理解宇宙中一些極端環(huán)境下的核過程。比如在中子星表面、超新星爆發(fā)過程中，可能就存在著類似的奇特原子核和衰變過程。地球?qū)嶒炇抑械霓D(zhuǎn)瞬即逝的鋁-20，為解讀宇宙中的核合成過程提供了關(guān)鍵線索。

微觀世界的探險仍在繼續(xù)

從1911年盧瑟福發(fā)現(xiàn)原子核至今，人類對原子核的探索已經(jīng)走過了一個多世紀(jì)。但鋁-20的發(fā)現(xiàn)告訴我們，在這個小到難以想象的微觀世界里，仍然充滿了未知和驚喜。

每一個新發(fā)現(xiàn)的原子核，每一種新觀測到的衰變模式，都像是宇宙物質(zhì)拼圖中的一塊。當(dāng)我們收集到足夠多的拼圖塊時，核物質(zhì)的完整圖景就會逐漸清晰。鋁-20及其奇特的三質(zhì)子發(fā)射，正是這幅宏大圖景中新增的一塊重要拼圖。

科學(xué)探索永無止境。在質(zhì)子滴線之外，在中子滴線附近，在超重元素區(qū)域，還有更多的未知等待著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。每一次突破都可能帶來對物質(zhì)本質(zhì)的新認(rèn)識，每一個極限的探索都可能開啟新的科學(xué)篇章。正如鋁-20向我們展示的那樣，即使是最不穩(wěn)定、最短命的放射性同位素，也能為人類的知識寶庫貢獻(xiàn)獨特的價值。

參考文獻(xiàn)

1.Xu, X-D., et al. “Isospin Symmetry Breaking Disclosed in the Decay of Three-Proton Emitter20 Al .”Physical Review Letters135.2 (2025): 022502.

出品：科普中國

作者：李瑞（半導(dǎo)體工程師）

審校：香港城市大學(xué)客座助理教授石巍

監(jiān)制：中國科普博覽