研究人员精确测量铍原子的电磁屏蔽效应

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原子的电子壳层充当“电磁屏蔽”，阻止直接接触原子核及其特性。海德堡马克斯·普朗克核物理研究所所长克劳斯·布劳姆 (Klaus Blaum) 领导的团队现已成功精确测量了铍原子中这种屏蔽的效果。这项研究发表在《自然》杂志上。
铍-9 磁矩的测定精度比以前提高了 40 倍。这种精确的测量不仅与基础物理学相关，而且还有助于我们深入了解核磁共振的某些应用，这些应用可用于化学和高精度磁场测量。
“防护罩开启！”：《星际迷航》的粉丝对这个命令并不陌生。自然科学研究人员也知道类似的东西——电磁壳起着保护盾的作用，通常会阻碍人们接近其原子核。这在化学中会产生影响，例如，通过核磁共振研究化学性质。
这种方法类似于磁共振成像。不过，它不是产生活体图像，而是提供被研究物质的高精度化学指纹。这两种方法都使用强磁场，并且基于一些原子核是小磁铁的事实——就像微小的指南针一样。
在强磁场中，它们可以开始以圆周运动旋转。就像在课堂实验中，磁铁通过感应线圈移动一样，原子的这种运动与周围的电子壳相互作用。当电子组成化学键时，进动原子核的信号会提供有关其化学环境的非常精确的信息。
三体问题
现在，人们可能会认为，在现代物理学中，原子核的磁矩和电子壳层的屏蔽效应是可以精确计算的。然而，海德堡研究所负责此类理论计算的 Zoltan Harman 证实，事实并非如此。原因——通常情况下——是一个根本问题，即无法精确计算由两个以上物体组成的系统。
这适用于恒星系统中的行星轨道，也适用于原子，原子的电子只能位于原子核周围的某些量子化能量轨道上。此外，原子核本身无法精确计算。即使是最简单的原子核，即氢中的单个质子，也由三个夸克组成，它们以复杂的方式相互作用。
“因此，理论家只能计算出这种核矩，误差约为千分之一，”斯蒂芬·迪科普夫说。因此，对于核磁共振和基础物理中的应用来说，高精度实验非常重要，因为这样可以比计算更准确地测量此类特性。
Klaus Blaum 的团队利用所谓的 Penning 阱开发出了一种性能世界一流的方法。这种方法可以非常精确地测量原子核的磁性。Andreas Mooser 领导的团队的首席博士生 Stefan Dickopf 现已对同位素铍-9 进行了此类测量。