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質(zhì)子半徑數(shù)據(jù)更新 微觀測量沒有終點
2019年11月09日 09:06:18
來源：儀器網(wǎng) 作者：宋池 點擊量：4672
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(gòu)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(zhì)子半徑。而電子散射實驗則是將電子束撞擊一個質(zhì)子，根據(jù)電子在接觸質(zhì)子后產(chǎn)生的散射情況計算質(zhì)子的半徑。
【化工儀器網(wǎng) 行業(yè)動態(tài)】發(fā)現(xiàn)于100年前的質(zhì)子對我們來說已經(jīng)不是一個陌生的名詞。作為原子的組成物質(zhì)之一，質(zhì)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(zhì)子的結(jié)構(gòu)以及組成質(zhì)子的基本粒子——夸克都有所了解的時候，質(zhì)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(zhì)子的發(fā)現(xiàn)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(nèi)部結(jié)構(gòu)一樣，測量質(zhì)子半徑也需要利用間接的方法。一般來說，質(zhì)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(gòu)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(zhì)子半徑。而電子散射實驗則是將電子束撞擊一個質(zhì)子，根據(jù)電子在接觸質(zhì)子后產(chǎn)生的散射情況計算質(zhì)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(zhì)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(nèi)質(zhì)子半徑的數(shù)據(jù)。然而在2010年，一項新的研究成果對這個數(shù)據(jù)提出了質(zhì)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(shù)據(jù)。當傳統(tǒng)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(zhì)子半徑的測量精度提高了10倍，后的測量結(jié)果是0.842±0.001飛米，比之前小了4%，數(shù)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(jié)果卻仍接近傳統(tǒng)數(shù)值。兩個實驗結(jié)果的差異在科學界引起軒然大波，當時沒有任何證據(jù)可以證明其中一個數(shù)據(jù)出錯，因此質(zhì)子半徑也成為物理學的未解之謎。
近十幾年來，關于質(zhì)子半徑的測量工作一直沒有停過，嘗試解釋“質(zhì)子半徑之謎”的論文也層出不窮。而今年發(fā)表的幾項研究成果終于揭開了“質(zhì)子半徑之謎”的謎底。英國多倫多約克大學的研究團隊開發(fā)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(jié)果，與2010年μ子氫光譜實驗結(jié)果相似。這意味著“質(zhì)子半徑之謎”的成因可能僅僅是實驗誤差。這項研究數(shù)據(jù)于今年9月在《科學》雜質(zhì)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(shù)據(jù)——0.831飛米，與前一項結(jié)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(zhì)子之間存在未知的物理相互作用的可能性被否定，但質(zhì)子半徑的再次確定依然是一件值得高興的事情。然而對質(zhì)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(fā)展，技術也在不斷進步，我們也許會發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在的數(shù)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(fā)現(xiàn)了質(zhì)子后，始終想探索出質(zhì)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(jié)果在科技的進一步發(fā)展后，已經(jīng)不能讓人完全信服。近十幾年來，關于質(zhì)子半徑的測量工作也一直在持續(xù)著。近期，英國多倫多約克大學的研究團隊開發(fā)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(fā)出來，科學謎題也終將被全部解開。
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