• 作者：郭松 丁兵 梁玉

　　“假如由于某种大灾难，所有的科学知识都要被毁灭，只有一句话可以留存给新世代，哪句话可以用最少的字数包含最多的信息呢？我相信那会是原子假说：宇宙万物由原子构成。”

　　——《费曼物理学讲义》

　　若后世文明重拾此句，并再度窥探原子内部，他们会看到一对奇特的邻居：又小又轻、奔忙不息的电子，以及又大又重、几乎静止的原子核。科学家们常将二者分开研究——原子分子物理学家常常将原子核视为固定不动的背景，核物理学家则几乎忽略电子的存在——且都取得了成功。然而，这对邻居之间，其实存在着隐秘而深刻的交流。一场围绕“是谁敲开了原子核大门”的前沿探索与激烈争议，正由此展开。

　　原子结构示意图 图源| britannica

　　被“卡住”的能量：同核异能态

　　想象一位癌症患者的肿瘤中被植入了一小团碘-125。这些原子核就像不安的住户，偶尔会突然“开门”，将核外一个电子拽入其中。电子的突然到来，使得一个质子转变为中子，原子核衰变为稳定的碲-125，并释放出一道特征X射线——正是它精准地杀伤癌细胞。这个过程被称为轨道电子俘获衰变。

　　然而，这种交流是随机且被动的。一个更大胆的设想随之诞生：我们能否主动派遣一位“电子信使”，以精确可控的方式“敲开”原子核的大门，触发我们想要的反应？这不仅能揭示核物理的深层奥秘，更蕴含着“按需释放核能”的终极梦想。

　　这个设想的关键目标，是一种名为“同核异能态”的原子核状态。原子核会存在不同的能量状态，同核异能态是一种特殊的激发态，因其独特的结构而拥有很长的寿命。它们存储了大量能量，却难以自发释放，被视为极具潜力的高能量密度储能载体。

　　科学家通常将能量更高、寿命较长的原子核激发态称为同核异能态。图源| Characteristics and Structure of Matter

　　同核异能态被赋予了太多有关未来核能的大胆想象，或许是让宇宙飞船无限续航的超级电池，或许是新一代相干伽马激光源,还可能是号称未来核武器的伽马炸弹……

　　然而，如何按需、快速地触发同核异能态的能量释放，是实现其应用的核心挑战。同核异能态就像一座微观世界的蓄水大坝，能量丰沛，却被高坝拦截。坝体象征着原子核内部特殊结构导致的“禁戒”。

　　同核异能态存储了大量能量，却难以自发释放，就像一座微观世界的蓄水大坝。

　　拆不掉大坝，那么能不能从外部注入一股精准能量，像一台强大的扬水机，将一部分水体瞬间提升到足以越坝的高度，使其轰然落下，释放能量呢？这便是实现同核异能态“激发退激”的物理图像。

　　失灵的“光子钥匙”与漫画般的设想

　　最直接的“扬水机”是光子。1999年，美国人科林斯（C.B. Collins）曾报道，用X射线轰击铪-178的第二个同核异能态，观测到其退激速度有所增加。这一结果展示的潜在应用前景，一度引发了广泛讨论。

　　这项研究还催生了一种漫画般的设想——“伽马射线炸弹”，与漫威宇宙中将班纳博士变为绿巨人的“伽马炸弹”如出一辙。其原理正是利用X射线照射来触发同核异能态能量的瞬间释放。

　　在漫威漫画中，伽马炸弹是班纳博士设计的核武器，可以输出超强的伽马射线能量。图源| 《原罪·浩克大战钢铁侠》

　　然而，后续实验却无法重现相似的激发效率。从物理机制上看，由于原子核的尺寸远比原子整体小得多，入射的X射线能量在抵达原子核之前，绝大部分会先与核外电子云发生相互作用而被吸收或散射，这从根本上限制了光致核激发方案的实际效率与应用前景。

　　于是，科学家的目光又投向了原子内部那位天然的邻居身上：能否利用电子作为信使，完成精准的能量触发呢？

　　1% 还是百亿分之一？

　　2018年，顶级期刊《自然》刊登了一篇重要论文。美国科学家声称，在美国阿贡国家实验室首次观测到了电子俘获致核激发（NEEC）现象。他们将钼-93同核异能态（钼-93m）离子注入碳膜减速，并观测到了特征伽马射线，据此推算的激发概率高达1%。

　　这个数字在相关研究者看来，更像一个“奇迹”。因为NEEC的发生条件近乎苛刻：高速运动的离子会出现空电子轨道，而在离子自身的参考系中，慢化介质中电子如雨点般高速袭来。只有当某个电子的动能，加上它落入空轨道时释放的束缚能，两者之和精确匹配原子核激发所需的能量时，共振才会发生。这好比在全速对开的列车上，随机向车外扔一颗绿豆，它必须恰好落入对面列车桌上的一个小瓶口中。

　　电子俘获致核激发示意图 图源| Nuclear Science and Techniques

　　仅仅过了一年，理论物理学家在《物理评论快报》上发表了详细计算，提出了他们的观点：在该实验条件下，NEEC的理论概率应低至10-11量级。这与实验结果相差了整整九个数量级（十亿倍）——这不再是误差，而是根本性的矛盾。

　　九个数量级的鸿沟，也引起了实验物理学家的强烈好奇。通过仔细推敲该论文的图表和数据，中国科学院近代物理研究所的科研人员从已公开的信息中，发现了一些难以自洽之处。2020年，他们在《自然》的评论专栏发表了这些质疑观点：实验中复杂的伽马射线本底可能未被充分排除，这或许导致信号被严重高估。

　　是否真的是电子敲开了原子核的大门？中国科学家决定通过实验来寻找答案。

　　两轮追踪“真凶”浮出水面

　　光谱的本底厚重而复杂，在这种环境中寻找稀有事件本就非常困难。为何不去黑夜里寻找萤火虫呢？

　　研究人员不仅提出了质疑，更构思了一个新的实验思路：基于兰州重离子加速器的次级束流线（RIBLL1），创造性地利用同核异能态束流研究NEEC现象。他们将产生目标原子核的剧烈初级反应与测量同核异能态激发的微弱次级反应，在时间和空间上严格分离，从而在“干净”的本底环境下进行测量。

　　利用约35米的放射性束流线把钼-93m从高本底反应区分离、传输到低本底测量区，实验测量灵敏度显著提高。图| 郭松

　　首次实验中，近代物理所实验团队选择了稳妥的氪-86轰击碳靶方案，通过低能的熔合蒸发反应产生钼-93同核异能态。然而，在累计93小时的测量后，他们并未观测到任何NEEC信号，提取的实验激发几率的上限值仅为十万分之二，远低于此前报道的1%。2022年，这项实验研究发表在《物理评论快报》上。

　　首轮实验的成功，证明了利用同核异能态束流研究NEEC的可行性和必要性。但也留下了疑问：是否因为同核异能态离子能量较低，导致未能观测到同核异能态激发信号呢？实验团队决定开展第二轮实验，提高束流能量。

　　利用RIBLL1研究钼-93同核异能态的激发退激。图| 许世伟

　　这一次，近代物理所的研究者们选择了理论上更优但技术难度更高的方案：用锆-94束流轰击氦气靶。在新一轮实验中，同核异能态离子能量被大幅提升至每核子约11兆电子伏，高于美国实验的能量。经过精密纯化后，钼-93m离子被注入到覆盖有铅箔或碳箔的探测器中，注入的数量比首轮实验多出一个量级。

　　最终，在碳箔和铅箔上，团队都清晰地观测到了同核异能态激发退激的特征信号，几率分别约为百万分之五和十万分之二。

　　高纯锗伽马探测器阵列 图源| 近代物理所

　　然而，关键问题接踵而至：激发是谁触发的？是电子，还是慢化介质材料中的原子核？

　　理论计算表明，实验测得的激发概率与“核-核非弹性散射”的理论预期完全吻合。尤其是在高原子序数的铅箔上，信号远强于碳箔，这正是核-核相互作用的典型特征。这意味着，实验中观测到的主要“敲门人”，并非预想中的电子信使，而是原子核。

　　2026年1月x日，这项历经两轮精益求精实验的研究成果，以“编辑推荐”的形式发表在《物理评论快报》上，澄清了钼-93同核异能态激发机制的争议。研究始于追寻“电子敲门”的梦想，却以证实“核核敲门”为主导机制而告终。

　　基于兰州重离子加速器次级束流线的实验结果澄清了钼-93m能量释放机制的争议。图源|近代物理所

　　寻找电子信使的故事虽暂告段落，但它澄清了迷雾，树立了路标。科学研究的意义，并不止于证实最初的假设。科学从来不会承诺给出我们期待的答案，却总在排除一个个“不可能”之后，引领我们更加接近事实的真相。未来，在即将投入运行的强流重离子加速器装置（HIAF)上，利用新的实验方案，真正的电子信使或许将被捕获。而那时，科学家们将感谢今天这场曲折的追踪案，为他们铺平了道路。

　　参考文献：

　　1.S. Guo, B. Ding, X. H. Zhou, et al, Probing 93mMo isomer depletion with an isomer beam, Phys. Rev. Lett. 128, 242502 (2022).

　　2.S. Guo, Y. Fang, X. Zhou, and C. M. Petrache, Possible overestimation of isomer depletion due to contamination, Nature 594, E1 (2021).

　　3.C. J. Chiara, J. J. Carroll, M. P. Carpenter, et al., Isomer depletion as experimental evidence of nuclear excitation by electron capture, Nature 554, 216 (2018).

　　4.Y. Wu, C. H. Keitel, and A. Palffy, 93mMo isomer depletion via beam-based nuclear excitation by electron capture,Phys. Rev. Lett. 122, 212501 (2019).