化學元素週期表的終點在哪裡，哪些過程導致了重元素的存在？ 一個國際研究小組報告了在GSI/FAIR 加速器設施和約翰內斯-古騰堡大學（Johannes Gutenberg University Mainz）為接近答案而進行的實驗。

他們深入了解了具有不同中子數的Fermium（100 號元素）原子核的結構。 利用前緣雷射光譜技術，他們追蹤了核電荷半徑的演變，發現隨著中子加入原子核，核電荷半徑穩定增加。 這顯示局部核殼效應​​對這些重核的核電荷半徑的影響減弱了。 研究結果發表在科學期刊《自然》。

鈾（92號元素）以外的元素，例如Fermium（100號元素），並非天然存在於地殼中。 因此，要對它們進行研究，就必須人工生產它們。 它們從天然存在的最重元素過渡到所謂的超重元素，從第104 號元素開始。 超重元素的存在歸功於穩定的量子力學殼效應，它增加了約千分之二的總核結合能。 儘管貢獻很小，但它在抵消許多帶正電的質子之間的排斥力方面起著決定性作用。

原子核的組成部分–質子和中子共同組成了原子核，它們所引起的量子力學效應可以用核殼模型來解釋。 與原子類似，充滿電子外殼的原子核具有化學穩定性和惰性，而充滿核外殼（包含所謂”神奇”數量的質子/中子）的原子核則表現出更高的穩定性。 因此，它們的核結合能和壽命也會增加。 眾所周知，在較輕的原子核中，填充核殼也會影響核電荷半徑的變化趨勢。

利用雷射光譜方法可以分析原子結構的微妙變化，進而提供有關核特性的信息，如核電荷半徑，即原子核中質子的分佈。 對中子數不同的同種元素的多個原子核進行的研究表明，除非跨越一個神奇的數字，否則該半徑會穩定增加。 然後，會觀察到一個扭結，因為在外殼閉合處，徑向增加的斜率發生了變化。 這種效應適用於較輕的球形原子核直至鉛。

重原子核核結構的新見解

“我們使用雷射方法研究了擁有100 個質子和145 至157 個中子的Fermium原子核。具體來說，我們研究了量子力學殼效應對原子核大小的影響。這使得我們能夠從一個新的角度來揭示這些原子核在中子數152 時已知殼效應附近範圍內的結構，”GSI/FAIR 實驗發言人Sebastian Raeder 博士解釋。 ” 在這個中子數下，中子殼閉合的特徵以前曾在核結合能的趨勢中觀察到過。2012年，在GSI/FAIR進行的高精度質量測量測量了殼效應的強度。根據愛因史丹的觀點，質量等同於能量，因此這些質量測量提示了殼效應提供的額外結合能。不是球形。這種變形使得原子核中的許多質子之間的距離比球形原子核更遠”。

在本次測量中，來自7個國家的27個研究機構組成的國際合作小組採用不同的Fermium同位素生產方法和雷射光譜技術應用方法的發展，對壽命從幾秒到一百天不等的Fermium同位素進行了研究。 短壽命同位素是在GSI/FAIR 加速器設施中產生的，在某些情況下，每分鐘只有幾個原子可用於實驗。 為了對它們進行探測，研究人員採用了一種量身定制的雷射光譜法，這種方法是幾年前為測量錚同位素而開發的。 產生的原子核在氬氣中停止並拾取電子，形成中性原子，然後用雷射進行探測。

富中子、長壽命的Fermium同位素（Fermium-255、Fermium-257）是在美國橡樹嶺國家實驗室和法國格勒諾布爾Laue-Langevinat 研究所生產的，數量為皮克級。 樣本的放射化學製備在約翰內斯-古騰堡大學（JGU）進行。 隨後採用另一種方​​法，將樣品在儲液器中蒸發，並在真空中用雷射進行檢測。

適當波長的雷射可將Fermium原子中的一個電子提升到更高的軌道上，然後將其從原子中完全移除，形成Fermium離子，從而可對其進行有效檢測。 這種分步式離子形成過程所需的確切能量隨中子數而改變。 透過測量激發能量的微小變化，可以獲得原子核大小變化的相關資訊。

宏觀特性占主導地位

研究深入了解了Fermium同位素的核電荷半徑在中子數152 範圍內的變化，並顯示出穩定、均勻的增長。 將實驗數據與國際夥伴利用現代理論核子物理模型進行的各種計算結果進行比較，可以解釋潛在的物理效應。 儘管計算方法不同，但發現所有模型之間以及與實驗數據之間都非常一致。

“我們的實驗結果以及用現代理論方法對這些結果的解釋表明，在Fermium核中，核殼效應對核電荷半徑的影響減弱了，而對這些原子核的結合能的影響卻很大，”實驗時就讀於GSI/FAIR 和JGU 的博士生、論文的第一作者Jessica Warbinek 博士說。 “實驗結果證實了理論預測：當核質量增加時，由少數單一中子和質子引起的局部殼效應將失去影響力。相反，應歸因於所有核子的全集合的效應占主導地位，核子更像是帶電的液滴。

此方法在實驗上的改進為進一步對中子數152 前後區域的重元素進行雷射光譜研究鋪平了道路，也代表著向更好地理解重元素和超重元素的穩定過程邁出了一步。 正在進行的研究有望在未來的研究中揭示核殼結構的微弱效應，而這正是已知最重元素存在的核心。