加载中…科技日报---先进的模拟技术揭示了原子核之秘密
(2024-01-27 10:54:05)
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题记：今天的超级计算机技术让人类能窥探到原子的隐私，不仅如此，还能知道它们如何从前世转变到今生。碳元素对于生命的存在至关重要，要知道它可是宇宙的资深物质！“毕竟，宇宙大爆炸后不久，只有氢和氦。氢原子核由一个质子组成，氦原子核由两个质子和两个中子组成。所有较重的元素都是在数十亿年后由老化的恒星产生的。在它们中，氦的原子核在巨大的压力和极高的温度下融合成碳核。这需要三个氦原子核融合在一起。”原来，我们来到身体里的碳经过了如此漫长艰难的历程，并为生命做了如此令人惊叹的准备。真是令人震惊，也令人敬畏！可以说碳在生命的构成中是占有C（碳的化学符号）位的，也是名副其实的！
中子和质子在碳原子核中以三个四原子团的形式存在。根据原子核的能量状态，这些可以排列成等边三角形（左）或像轻微弯曲的手臂（右）。图片来源：Serdar
Elhatisari教授/波恩大学
一项开创性的研究揭示了碳原子核的内部结构，突出了霍伊尔态的重要性，并为核粒子排列提供了新的见解。这项研究为核物理学的进一步发现铺平了道路。
碳原子核的内部是什么样子的？Forschungszentrum
Jülich、密歇根州立大学和波恩大学最近的一项研究为这个问题给出了第一个全面的答案。
在这项研究中，研究人员模拟了原子核的所有已知能量状态。其中包括令人费解的霍伊尔状态。如果它不存在，碳和氧只会以微小的痕迹存在于宇宙中。因此，归根结底，我们也应该为它付出我们自己的存在。这项研究发表在《自然通讯》杂志上。
原子核的组成和动力学
碳原子的原子核通常由六个质子和六个中子组成。但它们究竟是如何安排的呢？当原子核受到高能辐射的轰击时，它们的构型会发生怎样的变化？几十年来，科学一直在寻找这些问题的答案。尤其是因为它们可以为一个长期困扰物理学家的谜团提供钥匙：为什么太空中有大量的碳——没有这个原子，地球上就没有生命？
宇宙的元素进化
毕竟，宇宙大爆炸后不久，只有氢和氦。氢原子核由一个质子组成，氦原子核由两个质子和两个中子组成。所有较重的元素都是在数十亿年后由老化的恒星产生的。在它们中，氦的原子核在巨大的压力和极高的温度下融合成碳核。这需要三个氦原子核融合在一起。
波恩大学亥姆霍兹辐射与核物理研究所和Forschungszentrum
Jülich高级模拟研究所的Ulf
Meißner教授博士解释道：“但实际上这种情况不太可能发生。”原因是：氦原子核加在一起的能量比碳原子核高得多。
然而，这并不意味着它们特别容易融合，相反：这就像三个人想跳上旋转木马一样。但由于他们跑得比旋转木马快得多，所以他们不会成功。
霍伊尔状态：碳形成的关键
早在20世纪50年代，英国天文学家弗雷德•霍伊尔就因此假设三个氦核首先聚集在一起形成一种过渡态。这种“霍伊尔态”的能量与氦原子核非常相似。停留在图片中：这是旋转木马的一个旋转速度更快的版本，因此三名乘客可以很容易地跳到上面。当这种情况发生时，旋转木马会减速到正常速度。
波恩大学跨学科研究领域“建模”和“物质”的成员Meißner说：“只有绕行霍伊尔状态，恒星才能产生任何可观数量的碳。”
高级仿真技术
大约十年前，他与美国、Forschungszentrum
Jülich和波鸿鲁尔大学的同事一起，首次成功地模拟了这种霍伊尔状态。
他解释道：“当时我们已经知道碳原子核的质子和中子在这种状态下是如何排列的。”“然而，我们无法确定地证明这一假设是正确的。”
在一种先进方法的帮助下，研究人员现在取得了成功。这基本上是基于约束：事实上，质子和中子（核子）可以位于太空中的任何地方。然而，对于他们的计算，该团队限制了这种自由：“我们将核粒子排列在三维晶格的节点上，”Meißner解释道。“所以我们只允许他们采取某些严格定义的立场。”
计算时间：500万处理器小时
由于这种限制，计算核子的运动成为可能。由于核粒子之间的相互影响取决于它们之间的距离，因此这项任务非常复杂。研究人员还在略有不同的启动条件下进行了数百万次模拟。这使他们能够看到质子和中子最有可能在哪里。
Meißner说：“我们对碳核的所有已知能态进行了这些计算。”这些计算是在Forschungszentrum
Jülich的JEWELS超级计算机上进行的。它们总共需要大约500万个处理器小时，数千个处理器同时工作。
揭示原子核的结构
该结果有效地提供了来自碳核的图像。它们证明了核粒子并不相互独立地存在。这位物理学家解释道：“相反，它们被聚集成两组，每组两个中子和两个质子。”。这意味着三个氦原子核在融合形成碳原子核后仍然可以被探测到。根据能量状态的不同，它们以不同的空间形态存在——要么排列成等腰三角形，要么像一只稍微弯曲的手臂，肩膀、肘关节和手腕各被一簇占据。
核物理的更广泛意义
这项研究不仅使研究人员能够更好地了解碳原子核的物理性质。Meißner：“我们开发的方法可以很容易地用于模拟其他原子核，肯定会带来全新的见解。”
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