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質子半徑數據更新 微觀測量沒有終點
2019年11月09日 09:06:18
來源：儀器網 作者：宋池 點擊量：4681
氫光譜實驗的原理是氫原子的量子遷躍。當氫原子的電子從高能量軌道躍遷到低能量軌道時會釋放光子構成氫原子的光譜，此時就可以通過光譜計算氫原子的能量級，從而計算質子半徑。而電子散射實驗則是將電子束撞擊一個質子，根據電子在接觸質子后產生的散射情況計算質子的半徑。
【化工儀器網 行業動態】發現于100年前的質子對我們來說已經不是一個陌生的名詞。作為原子的組成物質之一，質子一直都是物理學前沿研究領域的重點關注對象。然而，在科學家們對質子的結構以及組成質子的基本粒子——夸克都有所了解的時候，質子的半徑依然是一個未解的謎題。
雖然目前分辨率高的顯微鏡只能分辨單個原子，但對研究者來說，無法直接觀察不代表沒有途徑研究，也不表示無法測量。正如20世紀初在顯微鏡還無法觀測原子的時候，質子的發現者盧瑟福通過加速后的α粒子撞擊氮原子的方式來研究原子的內部結構一樣，測量質子半徑也需要利用間接的方法。一般來說，質子半徑的測量方法有兩種：氫光譜實驗與電子散射實驗。
氫光譜實驗的原理是氫原子的量子遷躍。當氫原子的電子從高能量軌道躍遷到低能量軌道時會釋放光子構成氫原子的光譜，此時就可以通過光譜計算氫原子的能量級，從而計算質子半徑。而電子散射實驗則是將電子束撞擊一個質子，根據電子在接觸質子后產生的散射情況計算質子的半徑。
歷史上物理學家利用上述兩種方式分別測量了質子的半徑，得到0.877飛米的近似值(1飛米=1x10^-15米)，這也成為很長一段時間內質子半徑的數據。然而在2010年，一項新的研究成果對這個數據提出了質疑。在法國召開的簡單原子測量會議上，物理學家Randolf Pohl提交了他所帶領的團隊利用新方法測量到的數據。當傳統氫光譜實驗實驗中的氫原子被μ子氫(以帶負電的μ子代替電子的人造氫原子)取代后，質子半徑的測量精度提高了10倍，后的測量結果是0.842±0.001飛米，比之前小了4%，數值偏差很大。而同一天Randolf Pohl團隊的互補小組利用電子散射實驗得到的結果卻仍接近傳統數值。兩個實驗結果的差異在科學界引起軒然大波，當時沒有任何證據可以證明其中一個數據出錯，因此質子半徑也成為物理學的未解之謎。
近十幾年來，關于質子半徑的測量工作一直沒有停過，嘗試解釋“質子半徑之謎”的論文也層出不窮。而今年發表的幾項研究成果終于揭開了“質子半徑之謎”的謎底。英國多倫多約克大學的研究團隊開發出了頻偏分離振蕩場技術，這種新技術將測量精度進一步提高，后得到0.833飛米的結果，與2010年μ子氫光譜實驗結果相似。這意味著“質子半徑之謎”的成因可能僅僅是實驗誤差。這項研究數據于今年9月在《科學》雜質上刊出，而兩個月后，美國科學家在新一期的《自然》雜志上也公布了他們利用新的電子散射方法測量的數據——0.831飛米，與前一項結果相吻合。
困擾了物理學家近十年的謎團終于被解開，雖然μ子與質子之間存在未知的物理相互作用的可能性被否定，但質子半徑的再次確定依然是一件值得高興的事情。然而對質子半徑的研究并沒有因此止步，一些研究人員正在試圖進一步提高測量精度。就像顯微鏡對微觀世界的深入不會停止，微觀世界的測量也不會有終點。儀器在不斷發展，技術也在不斷進步，我們也許會發現現在的數值也存在很大的誤差，但只有不斷求索才能更接近這個世界的真理。
編輯點評：多年來，科學界在發現了質子后，始終想探索出質子的半徑，但以往常用的氫光譜實驗與電子散射實驗所作出的結果在科技的進一步發展后，已經不能讓人完全信服。近十幾年來，關于質子半徑的測量工作也一直在持續著。近期，英國多倫多約克大學的研究團隊開發出了頻偏分離振蕩場技術，該技術有效解決了科研人員一直以來的謎題。未來，相信更多精尖技術會被研發出來，科學謎題也終將被全部解開。
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