量子沸腾揭示的原子相对性

X射线实验显示对原子结构的影响。

科学家以强烈的X射线闪烁的“量子沸腾”的方式剥离了大部分电子的氙原子。实验揭示了爱因斯坦的狭义相对论对原子量子结构的影响。来自DESY的Sang-Kil Son和Robin Santra以及来自堪萨斯州立大学的Daniel Rolles和Artem Rudenko的国际团队在Nature Communications杂志上报道了他们的研究。

“理解原子结构从根本上讲是重要的，”Son解释道。“量子力学告诉我们电子是如何放置在不同的原子壳中的。”原子壳结构是门捷列夫周期表的基础，决定了原子元素的化学性质。“最外层原子壳中的电子通常已经以光速的百分之一左右移动，”Santra补充道。“然而，内原子壳中的电子移动得更快，特别是在较重的原子中。然后，量子力学必须用狭义相对论来补充，以准确描述原子结构。“

强X射线可以在与水沸腾相似的过程中从原子中蒸发电子：X射线只能直接击出少量电子，将它们从内壳中移出。缺失电子留下的孔很快“向上冒泡”向外壳，将能量转移到其他电子，最终将它们踢出原子。“当开水时，分子之间的碰撞起着核心作用，类似地，电子的碰撞在原子的量子沸腾中起着核心作用，”Son解释道。

生产有史以来最强的X射线闪光，称为自由电子激光器的加速器驱动装置使量子沸腾成为现实，创造了相应于几亿摄氏度的温度的条件，高于太阳中心的温度。原子的量子沸腾使原子内壳暴露出来，从而以一种新的方式使强相对论效应可见。

在该实验中，氙原子暴露于由加利福尼亚州的加速器实验室SLAC的X射线自由电子激光器LCLS产生的强X射线脉冲。这产生了具有高电荷的氙离子，这取决于从原子中被撞出的电子数量。当计算有多少原子丢失了多少电子时，科学家们注意到了三个明显的电荷状态。量子力学理论与狭义相对论一起证实了实验观察并解释了如何失去电子的机制。

“我们可以证明凸起对应于第二层壳体相对论性地分裂成某些不同的能量水平，”Santra说。能量水平的这种相对论分裂是原子物理学中一种众所周知的效应，称为精细结构。然而，尽管最轻元素氢的精细结构中的能量差异约为50微电子伏特(电子伏特的百万分之五十五)，但观察到的氙能量差异几乎是一千万倍，达到300电子伏特。

预测原子电荷状态的动态行为极具挑战性，并且在高性能计算机上花了几个月的时间，但最终取得了成功：这些计算不仅提供了量子沸腾的成功描述以及相关性的伴随表现，而且它们也证明了新开发的计算工具对于强X射线自由电子激光器未来实验的预测能力。

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