物理：管不着电子的原子核？
编辑 Chia-Chen Chang 报导
通常我们认为原子内的电子与其原子核的内部性质之间并无太大关联。举例来说，原子核跃迁的能级大小约为百万电子伏的数量级，而电子能级却只有数十个电子伏甚至更小。最近有两个实验的结果给电子与原子核内部结构二者之间起了联系。日本的一组科学家观察到原子内部的电子跃迁可以激发原子核；欧洲的研究人员则发现了原子核跃迁放出的能量可用于激发电子。这两组实验结果显示了电子跃迁能量与原子核跃迁能量二者之间有密切的关联。
自1970年代初期开始就有数个实验组就在寻找‘由电子跃迁引起的原子核激发’(nuclear excitation by electronic transitions, NEET)这类现象，并声称在实验中成功的观察到这一个现象，但是一直以来这方面的研究充满了争议。最近由日本同步辐射研究所(Japan Synchrotron Radiation Research Institute)的科学家合作的实验中，他们先以 X 光脉冲激发原子内的电子，原子核被电子跃迁放出的能量激发后发生衰变。实验小组的目的则是侦测衰变过程所导致放出的电子(注一)以确定 NEET 的发生。由于实验过程使用了新的技术，所以使得结果的可信度大为提升：首先，相较于以往使用的电子轰击激发或者是早期频宽较宽的 X 光源，他们使用高度单频(highly monochromatic)的短脉冲 X 光激发金原子(Au-197)内部的电子。其次是所使用的侦测器有足够的时间解析度，使得实验得以准确的捕捉由原子内部放出的电子，而不会被由电子跃迁放出的大量辐射干扰。
另外一组法国的研究人员则是观察 NEET 的逆向过程：电子被原子核跃迁放出的能量激发且仍处于束缚态(bound state)，这种过程称为‘bound state internal conversion’或 BIC。一般而言，内壳层的电子被原子核衰变的能量激发后，因为能量过高的缘故通常电子就脱离原子核的束缚飞离开原子，日本的研究小组就是利用这个现象确认 NEET。想要使被激发的电子仍然属于束缚态，就必须小心的调整原子核衰变放出的能量恰好等于电子能阶之间的能量差。因此通常需要特殊的环境才观察的到 BIC。由于原子核的能阶是固定的，但如果将原子离子化，研究人员就可以调整电子能阶的大小以利实验的进行，法国研究人员就是利用这种方法观察 BIC。实验在位于法国 Caen 的 GANIL 重离子加速器中进行，+38 价的碲(tellurium)被加速后撞击铊(thallium)的同时会激发铊原子核以及撞开其中的一些电子，研究小组最后侦测到了电子掉回铊原子空轨域时所放出的 X 光。
除了研究原子核和电子二者之间的关连性之外，NEET 及 BIC 在天文物理学的领域也有相当重要的应用。从 NEET 及 BIC 的观点来看，太空中的高温电浆中电子的行为与原子核有密切的关连，二者的交互作用可能相当的大。所以 NEET 及 BIC 的发现很可能会改变我们现在对宇宙中化学元素形成的看法。
相关论文：
1) Observation of Nuclear Excitation by Electron Transition in Au-197 with Synchrotron X Rays and an Avalanche Photodiode,
S. Kishimoto et al., Phys. Rev. Lett. 85, 1831 (2000).
2) First Direct Proof of Internal Conversion between Bound States,T. Carreyre et al., Phys. Rev. C 62, 024331 (2000).
3) Phys. Rev. C 61, 051304R (2000), 这篇论文是在观察锇(osmium)原子的 NEET。
注一：因为这并不是弱作用引起的衰变，所以电子并不是由原子核内逸出。下一段会解释这个现象。
参考来源：
Electrons Quit Ignoring the Nucleus, Physical Review Focus 6, story 8, 21 August 2000
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