碳元素的基态核外电子排布（红巨星快速生产碳元素的奥秘）

碳原子核被观察到以三角形状态旋转

物理学家发现了新的重要证据，表明地球生命的基础构成之一——碳12原子核具有类似于等边三角形的结构。这一证据由英国、墨西哥和美国的物理学家通过测量一个快速旋转的原子核旋转状态时取得。 这一发现表明，在红巨星碳形成过程中起重要作用的碳-12的“霍伊尔状态”也具有相同的形状。相对而言，这一理论预测表明，霍伊尔态更像是钝角三角形或“弯曲的手臂”。

（伯明翰大学的回旋加速器）

宇宙中所有的碳原子都是由两个α粒子（氦-4原子核）在红巨星中融合形成一个寿命较短的铍-8原子核，然后捕获第三个α粒子形成碳-12。但是，这种反应最初是如何发生的，物理学家对此依然非常困惑，根据他们对碳-12的早期理解，碳-12的反应进行的太慢，无法解释宇宙中的碳含量如此之高。之后在1954年，英国的天文学家Fred Hoyle预言，碳-12有一个迄今未知的激发态，现在被称为霍伊尔态，它可以提高碳-12的产生速度。

3年后，霍伊尔态被加州理工学院的物理学家通过实验证实。然而，碳-12核中质子和中子的精确排列仍然是一个争论不休的问题。一些物理学家认为碳-12是12个相互作用的核中最好的一个，但另一些人认为，碳-12原子核可以被看作3个结合在一起的α粒子。后一种模型的合理性在于α粒子是非常稳定的，因此很可能在碳-12原子核内存在。

分子激发

如果碳-12确实由3个α粒子构成，分子物理学可以提供关于这些粒子是如何排列的重要线索。2000年，墨西哥国立自治大学（UNAM）的Roelof Bijker和耶鲁大学的Francesco Iachello提出，三个α粒子可以安排在一个等边三角形中，其中三个α粒子都在同一平面内。这种结构于五年前在三原子氢分子离子H3 中就已经发现了。

现在，Bijker与伯明翰大学的Martin Freer及其同事以及康涅狄格大学的Moshe Gai联手，获得了迄今为止最好的实验证据，证明碳-12的形状确实像一个等边三角形。实验是在伯明翰的回旋加速器上进行的，通过向碳靶发射一束α粒子，产生处于高自旋状态的碳-12原子核。事实上，原子核的旋转速度非常快，甚至会撕裂并发射出α粒子。

通过测量α粒子的能量和角度分布，研究小组观察到了一种前所未有的高速自旋状态。当与先前实验中测量到的四个低自旋态一起分析时，新的数据强烈地表明，碳-12核类似于一个等边三角形，它像一个三个尖端的齿轮一样旋转。

呼吸的原子核

这一描述适用于碳-12的基态旋转带，并且同样对霍伊尔态也具有重要意义。由于霍伊尔态旋转带的光谱似乎与基态旋转带具有相似性——5个自旋态中的2个已经测量过。不过霍伊尔态的转动惯量似乎比基态大，这表面霍伊尔态是一种“呼吸模式”，即等边三角形的扩张。膨胀的原子核本身可以自旋，产生一系列类似于碳-12基态带的激发态。

这种指向霍伊尔态是等边三角形的证据似乎与计算结果不符，计算表明，霍伊尔态更接近一个钝角三角形。然而，α衰变测量并不能为物理学家提供原子核形状的完整图像。唯一确定原子核结构的方法是研究自旋态衰变发射出的伽马射线。虽然这类研究在核物理学中很常见，但对于碳-12来说非常困难，因为原子核发射α粒子衰变的概率比发射伽马射线衰变的概率大的多。

不过，Freer和他的同事现在正在开发一项实验，试图捕捉碳-12原子核发出的伽马射线，并希望在今年年底前进行测量。因此，在霍伊尔态被预测60年后，最终我们有机会得知它的形状。

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

translate: 佚仙

author: Hamish Johnston

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