激光网3月14日消息，科学家们已经采用了一种最初设计用于研究宇宙中巨大天体的仪器，并将其重新用于在无限小的尺度上研究世界。有了这个仪器，他们设法探测了原子的心脏。
该团队希望了解不稳定原子内发生的量子尺度变化，并意识到他们可以利用最先进的伽马射线偏振仪。这种被称为康普顿相机的设备可以测量高能光波的偏振。换句话说，它可以剖析这种高能光的方向。
然而，唯一的问题是，从技术上讲，这种仪器是为深空天文学而不是原子研究而建造的。事实上，科学家们建造它是因为他们想把它放在瞳卫星上，以观察高能宇宙过程。然而，这款相机现在已经证明了它的多功能性。通过捕获从原子核而不是遥远的星系物体发射的伽马射线的偏振，它设法揭示了原子核的内部结构以及这些原子核可能正在发生的任何变化。
康普顿相机用于使用称为“康普顿散射”的现象来确定伽马射线的方向和能量。
当高能光粒子或“光子”从带电粒子反弹时，就会发生康普顿散射。这种相互作用迫使撞击电子的光子“散射”，这意味着它们将一些能量和动量转移到它们刚刚撞击的粒子上。反过来，这些电子可以反冲并基本上从它们以前附着的原子上弹出。这个过程可以帮助揭示所涉及的原子的一些东西。
“研究小组证明，这台康普顿相机可以作为核光谱学的有效旋光仪，揭示对核结构的见解，”研究员负责人兼Kavli宇宙物理与数学研究所科学家Tadayuki Takahashi告诉 Space.com。“该仪器最初是为空间观测而开发的，现在已经证明了它作为解决其他领域复杂科学问题的工具的价值。
你可以把原子想象成由“壳”组成的。每个壳层都充满了不同部分的带负电荷的电子，它们在周围“嗡嗡作响”;最外层称为价壳层，价壳层内的电子称为价电子。这些原子壳围绕着一个由带正电的质子和电中性中子组成的中心核。
原子核中的质子数定义了该原子代表的元素。
例如，氢是宇宙中最轻的元素，它的原子核中总是有一个质子。元素周期表的另一端是铀，它是最重的天然元素之一，其原子核中总是有 92 个质子。原子核中的中子数并不能定义原子是什么元素，因此它可能会发生变化。例如，氢可以没有中子，氘可以有一个中子，氚可以有两个中子。然而，这些重量不同的原子被称为“同位素”。有些同位素是稳定的，有些则不是。
虽然已知自然界中存在 270 个稳定的原子核，但当考虑到不稳定的原子核时，已知元素同位素的数量会跃升至 3000 个。
有趣的是，科学家们最近还观察到了与不稳定原子核相关的现象，而这些现象在稳定的原子核周围是看不到的。这些包括电子能级的异常以及所谓的“幻数”的消失和出现。幻数是指填充原子核周围的能级壳层所需的电子量。通常，这些数字是 2、8、20、28、50、82 和 126。
然而，到目前为止，常规方法还不足以研究与这些现象相关的核结构变化。这是由于分析原子跃迁特征的仪器难以平衡灵敏度和检测效率。
这是团队调查的重要部分。
不稳定的原子核将试图通过喷射质子或中子来达到稳定。这被称为放射性衰变，这是一个以光子形式将能量从原子中带走的过程。伽马射线是一种光子——康普顿相机可以探测到这些伽马射线!也许了解不稳定和稳定之间的过渡可以帮助解码科学家观察到的一些奇怪的原子现象。
因此，这些研究人员认为，康普顿相机，包括一种叫做碲化镉半导体成像传感器的东西，可能是测量来自不稳定原子核的伽马射线偏振的理想选择。同样，这是因为这种传感器在确定伽马射线的位置时提供了高探测效率和精确精度。
带电粒子的光子偏振将非偏振光变成偏振光，偏振的方向是由于散射角而产生的。康普顿相机可以精确测量这种散射角和这些伽马射线的偏振，这表明原子内粒子的特性，例如称为“自旋”和“奇偶性”的量子力学特性的值。
科学家们使用RIKEN研究所的加速器实验进行了一系列核光谱测试，其中包括用质子束爆破铁核膜。这导致薄铁膜中的电子达到激发态，并在返回基态时发射伽马射线。该团队人为地控制了这些排放的位置和强度。这样可以对散射事件进行详细分析，并实现高灵敏度的偏振测量，以测试康普顿相机的能力。
“多层碲化镉康普顿相机具有几个特性，使其非常适合这项研究。首先是CdTe的检测效率，“Takahashi说。“通常，从原子核发射的伽马射线的能量约为兆电子伏特(MeV)，其中伽马射线偏振仪的探测效率往往很低。然而，20层碲化镉显著提高了探测这些伽马射线的效率。
Kavli宇宙物理与数学研究所的科学家补充说，他的团队开发的CdTe传感器还可以实现亚MeV伽马射线的高能分辨率。
“最后，它在探测器的有效区域内实现了几毫米的位置分辨率，使其能够'看到'详细的康普顿散射模式，”Takahashi补充道。“这些图案反映了包括伽马射线在内的光的线性偏振特征。
对发射的伽马射线进行了测量，揭示了峰值结构，研究小组能够确定光子散射的角度。该团队预计他们的结果对于研究稀有放射性核的结构至关重要，但即使是首席研究员也对这项测试的成功感到惊讶。
“该研究小组由天文观测和核物理专家组成，他们预计伽马射线偏振法在某种程度上对于核伽马射线光谱实验是可行的，”高桥说。“然而，业绩和结果超出了预期。”
在使用空间仪器研究原子核时，这些实验可能只是冰山一角。
“在天文观测中有各种类型的康普顿相机，它们可以类似地用于测量光子的线性偏振，”高桥总结道。
