有這樣一個問題一直在許多物理學家和化學家的心中縈繞：對於一個給定質子數的原子來說，究竟最多能容納多少箇中子？
原子包含了原子核和繞其運行的電子，上圖所示的是氦原子示意圖。
其實，尋找每種化學元素所能容納的最大中子數，便是許多科學家所熱衷的一項極限挑戰。這一極限被稱為中子滴線，之所以每種元素都存在這樣一個極限，是因為一旦超過這個中子數，能量會將原子核分開，使其不能再粘合在一起。
這項研究的實驗難度很大，因為找到每個元素的中子滴線不僅意味著要通過實驗將這樣一個粒子創造出來，還需要能證明這就是最重的同位素。在很長一段時間裡，科學家只知道所有已知元素中的8種最輕元素的中子滴線，直到2019年，一個日本研究團隊找到了迄今為止的最重同位素——氟-31、氖-34，以及鈉-39（詳見《20年的極限探索，首次迎來新的突破》）。更多的是尚未被測試過的元素，無人知曉這些它們的核極限位處何處，而更令科學家們頭疼的一點是，並沒有理論機制告訴我們應該如何預測這些中子滴線的位置。
對於具有一定質子數量的原子核來說，它能束縛的中子數量是有限的。一旦超過這個極限，原子核便會停止粘合在一起。圖中顯示了元素週期表中已知元素的中子滴線（粉線)。| 圖片來源：APS / Joan Tycko
最近，一篇發表在《自然》雜誌上的研究表示，中子滴線背後的形成機理可能與原子核的形狀有關。在論文中，研究人員用計算結果展示瞭如何利用原子核的形變來預測滴線的出現。
在原子核中，將質子和中子結合在一起的強核力，往往傾向於讓這兩種粒子的數量相當；而作用力相對較弱、作用範圍相對較長的靜電斥力，則會阻礙質子在原子中堆積。如果按照座標軸的縱軸是穩定原子核的能量，橫軸是質子數和中子數來進行繪圖，那麼我們可以得到一個呈V字形的曲面，曲面的低谷部分就對應於最穩定的同位素。當向這樣的同位素中繼續添加中子，我們就會從沿著曲面從谷底向上移動。
當中子被添加到一定程度時，原子核的總能量會少於組成部分中的能量，從而導致原子核分開。原子核的總能量與其組成部分的能量之差被稱為結合能，如果添加的中子能增加結合能，那麼這個中子就能”粘“住原子核；如果降低了結合能，中子就會“滴落下來”。
在原子核殼模型中，質子和中子都佔據著不同的量子殼層，每個殼層都有其特定的勢能。長時間以來，物理學家都認為，如果質子數和中子數之間的差距增大，那麼勢能就會減小，這時新添加一箇中子會導致結合能的降低。
核的形狀。| 參考來源：Tsunoda et al. / Nature
然而質子和中子並不都在一個殼層中，它們在強核力的驅動下會從一個殼層躍遷到另一個殼層之上，形成不同的構型。隨著中子數量的增加，原子核的形狀會變形成橢球體，從而使得結合能增加；然而，當質子數和中子數到達特定值時，這種能量虧損會尤其大，形變也不再發生。
在新的研究中，研究人員認為，正是這種在原子核的形變上出現的“飽和點”，使得同位素變成了非束縛態，能讓更多的中子流出，導致了中子滴線的出現。
中子滴線的形成機制，從左到右最左邊的球形是一個具有特定結合能的球狀核；當中子加入時，原子核變成橢球形，結合能升高；繼續增加中子，原子核的形變愈加嚴重，結合能進一步增加；當抵達了滴線時，結合能會下降，核的形變減弱，繼續增加的中子也無法在與原子核結合。| 參考來源：Tsunoda et al. / Nature
那麼真的是核的形變導致了結合能的變化嗎？研究人員計算了各種可能會影響結合能的因素，除了形變產生的能量之外，他們還計算了比如當在殼中添加一箇中子時會產生的平均能量（單極能量），以及質子和中子配對時產生的能量。他們發現，隨著中子數量的增加，單極子的能量所施與的影響的確會穩步上升，與此同時原子核的形變加劇；但是當中子數持續增加時，原子核的形變開始變得微弱，這時結合能開始下降，滴線出現。此外，配對的影響雖不能忽略不計，但它幾乎是恆定不變的，因此不會導致滴線的出現。
核變形是核物理學中常用的概念，研究人員利用這一概念提出瞭解釋中子滴線的新機制。然而有物理學家指出，這種新機制仍存在一些疑問。比如儘管他們所進行的計算非常詳盡精確，但他們進行了一些假設，忽略了一些對定義較輕原子核的滴線起著至關重要的作用的狀態。此外，這項研究在描繪質子和中子之間的相互作用時，對粒子的能量也作了一些“人工性”的經驗調整，這也可能會影響新提出的機制的穩健性。
研究人員表示，他們得到的計算結果也與最近進行的一些其他實驗的結果一致。這樣的結果或許對其他試圖能更好地理解原子核的科學家有一定幫助。他們相信，新提出的中子滴線形機制，對於激發該領域的科學家對解釋富含中子的核合成進行更深層次的思考具有積極意義。
參考來源：
https://phys.org/news/2020-11-physicists-mechanism-responsible-neutron-line.html
https://www.nature.com/articles/d41586-020-03016-7
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2848-x
