Mitch Allmond-对物质形成更好的基本理解

时间:2020-04-24 18:10 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

Mitch Allmond-对物质形成更好的基本理解

在美国能源部橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)的物理系,詹姆斯(James,“米奇”[Mitch])奥蒙德(James Allmond)进行了实验,并使用理论模型来增进我们对原子核结构的理解,原子核是由质子和中子(核子)的各种组合构成的。

“我的重点是描述核子是如何组织的,以及从这些组织中产生了什么模式,”奥尔蒙德说。

化学家根据原子中所含的质子数来组织原子元素,而质子数决定了电子的轨道和化学反应,而像奥尔蒙德这样的物理学家则是根据原子核中质子和中子的数量来组织原子核。

在原子核内,每个核子都遵循由其他核子产生的“平均场”。质子和中子就像电子一样,各自组织成不同能级的壳层。根据物理定律,加入新原子核的核子在一个未填充的壳层中降到最低的能量。核子之间的残余相互作用能把原子核从球形变成形变的形状。

集体行为

当壳层被填满时,核子的运动受到限制,就像乘客站在拥挤的公共汽车上一样。当壳层不填满时,核子可以更自由地移动、聚集,并开始集体活动。

奥尔蒙德经常将原子核作为一个整体来建模——一个沿着三个轴旋转的液滴——并对他的模型进行精确的测量。如果所有轴的长度相同,原子核的形状就像一个篮球;它的壳层充满了核子。如果一个轴比另外两个相等的轴长,原子核就会变形成美式足球的形状;它的外壳只有部分被填满。如果三个轴的长度都不一样,结果就是一个三轴转子形状像一个泄气的足球。关于后一种形态的证据仍然很少,而且存在争议。

欧蒙德经常前往伊利诺斯州的阿贡国家实验室,在阿贡串联直线加速器系统(ATLAS)进行实验。在那里,他使用放射性束在锎稀有同位素增殖堆(CARIBU)设施,用最先进的粒子和伽马射线探测器来研究ORNL的高通量同位素反应堆制造的富含中子的锎-252裂变产物。

有了CARIBU, Allmond可以加速一种放射性同位素,并通过库仑激发对其进行研究。库仑激发是一种在纯电磁相互作用中碰撞原子核的技术,可以实现与模型无关的形状测量。奥尔蒙德想要了解什么形状是可能的。

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之前的大多数研究都在锇核和铂核中寻找三轴变形,这是最适合足球变形形态的自然发生的候选者。奥尔蒙德在放射性射线中发现了稀有的钌和钼同位素的变形,发现它们也表现出了这种极端的形状——尽管它们的核子质量和数目有极大的不同。

“也许所有的原子核都有一定程度的三轴变形,”他推测。“它改变了我们的一般认识,并影响了对更高激发态的预期,而这些激发态在实验上很难达到和探测到。”例如,如果这三个轴都不同,原子核就会摆动,以自由的程度来表现运动,这是主流理论通常无法解释的。

此外,奥尔蒙德说,“不考虑三轴形变的核模型将无法准确预测质量和寿命等基态特性。”这影响了像r-process核合成这样的现象,它决定了元素的自然丰度。”他补充说,“除此之外,它还会影响核反应堆中计算出的衰变热。”缺失的数据必须进行计算,而这些计算只能和你的模型一样好。”

从捕鱼到裂变

奥尔蒙德和两个姐妹在乔治亚州的一个良种马场长大。他的父亲是药剂师,母亲是护士。“我的一部分实验经历是在我还是个孩子的时候在一个农场里完成的,当时我不得不快速地把一些东西装上“乡下人的工程”——不管是修理一个电网,一个水泵让马的水槽充满水,还是一台坏了的拖拉机或割草机的引擎。有太多的事情要做,所以你不必执着于让每件事都完美;你只要确保它能工作,”他回忆道。“当你知道你什么时候完成了你的目标,这条收益递减定律在物理学上是有帮助的。”

奥尔蒙德和父亲一起享受着深海钓鱼和水肺潜水的乐趣,这足以让他考虑从事海洋生物学方面的工作。然而,那个专业最好的大学是在一个小镇上,而奥尔蒙德准备体验一下大城市的生活。他说:“我选择了亚特兰大,还有佐治亚理工学院。”

大学二年级时,他从约翰·伍德那里学了物理。“在我看来,就耐心和热情而言,他是那里最好的教授,就沟通的方式而言,我觉得核物理是我最好的选择。”

奥尔蒙德完成了一项本科生研究项目,用木头研究了铒-166的形状,并继续跟随他攻读博士学位。之后,他在里士满大学(University of Richmond)与核结构专家康·博桑(Con Beausang)开始了博士后研究。博桑与劳伦斯·伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)有合作关系,并于2007年将奥蒙德送到那里,在88英寸的回旋加速器上做实验。

在加利福尼亚,奥尔蒙德遇到了来自ORNL的大卫·雷德福,一位世界著名的伽马射线探测器专家,后来他向他提供了博士后奖学金。他还遇到了一位后来成为他妻子的艺术家。

2010年,这对夫妇搬到了田纳西州,最近在橡树岭附近买了一栋房子。如果他想骑马、钓鱼或修理什么东西,到他家的农场只有5个小时的路程。

Mitch Allmond-对物质形成更好的基本理解

未来事物的形状

2014年,奥尔蒙德成为了ORNL的专职科学家。他在当地的橡树岭研究中心(Oak Ridge studies)关注的是质子或中子数“神奇”的球形原子核。也就是说,这些原子核填满了质子和/或中子壳层。如果质子壳层和中子壳层都被填满,物理学家说原子核具有“双重魔力”。

奥尔蒙德使用了来自ORNL现已不存在的霍利菲尔德放射性离子束设施的放射性离子束和一种名为BareBall-CLARION的探测阵列来研究双重魔力tin-132。他还领导了一项研究,在完全封闭的质子和中子外壳上再加上两个中子和两个质子。“我们发现这两个中子似乎在起作用,”他说,指的是核子的集体运动和原子核的轻微变形。

他现在与物理学家哥德·哈根合作来预测核的形状。Hagen使用橡树岭领导计算中心的Summit超级计算机执行基于第一性原理的计算。

“我能测量的和他能计算的都是有限的,”奥尔蒙德说。每一项研究都提供了基础性的知识,这些知识将影响未来发现的形成。

奥尔蒙德目前正期待着美国能源部的稀有同位素束流设施(FRIB),该设施正在密歇根州立大学建设中,预计将于2022年投入使用。他是FRIB仪器开发的领导者,尤其是FRIB衰减站,由ORNL和田纳西大学诺克斯维尔分校领导。该探测器系统将用于研究外来核的衰变特性和结构,其独特的定位将在核存在的极限条件下,为第一天的发现实验做出至关重要的贡献。它将对我们理解核结构、核天体物理学、基本对称性和重要应用的同位素产生革命性的影响。

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