在微观世界的深处，原子核与其外围的电子之间，始终进行着一场无声却精妙“对话”。这场“对话”的每一个“音节”（光谱信号），都同时蕴含着原子核自身的秘密和原子世界的法则。长久以来，科学家一直在寻找一种能够“听见”并“读懂”这场对话的工具。
精密激光核谱技术，正是这样一把经过极致校准的“放大镜”，让人类得以窥见此前无法分辨的细节。借助它，科学家得以借此绕过复杂的核模型，通过测量原子光谱中的细微结构，直接提取原子核的自旋、磁矩、电四极矩和电荷半径等基本性质，从而为原子核绘制出一幅精细的“肖像”。更进一步，这些高精度测量结果还可以反过来检验原子分子理论，甚至可能在寻找宇宙中“正反物质不对称”的答案过程中发挥作用。
随着放射性核束技术的进步，人类能够研究的核素版图迅速向远离β稳定线的区域扩展。然而，这些新核素往往寿命极短、产额极低，如同转瞬即逝的“幽灵”。在这样的实验条件下，共线激光谱技术凭借其高分辨率和高灵敏度，成为研究不稳定原子核结构的核心手段之一。
原子核与电子间的“幽微对话
一. 原子核的“指纹”：超精细结构与同位素移位
在介绍这把“利器”之前，我们需要先理解科学家用它来测量什么。这就要说到原子光谱中的两种特殊结构：超精细结构和同位素移位。
1. 超精细结构：原子核结构信息的光谱编码
从超精细结构到核性质提取
如果把原子光谱比作原子的“身份证”，那么超精细结构就是其中最精细的“指纹”。它源于原子核与核外电子之间的电磁相互作用。如果原子核具有自旋，它通常伴随着磁偶极矩。当原子核还具有非球形电荷分布时，还会表现出电四极矩。这些核性质会与核外电子在原子核附近产生的电磁场相互作用，使原本单一的原子能级发生微小劈裂，这就是超精细结构。通过分析这些劈裂结构，科学家就能直接读出原子核的自旋、磁矩和电四极矩。这相当于同时拿到了原子核的“自旋大小”、“磁性强弱”和“形状信息”等关键特性。
2. 同位素移位：测量原子核的“游标卡尺”
从同位素移位到核电荷半径测量
同一种元素的不同同位素（质子数相同，中子数不同），其光谱线位置也会发生微小的偏移，这就是同位素移位。这种偏移来源于两方面：一方面，不同同位素的质量不同；另一方面，原子核电荷分布的大小存在差异。通过精确测量这种频率偏移，科学家可以提取出原子核均方电荷半径的变化，从而了解核电荷分布的尺度。这就像是在微观世界拥有了一把测量原子核电荷分布尺度的“游标卡尺”。
二. 如何练成“精密之眼”：高分辨与高灵敏度的
双剑合璧
要在放射性离子束的条件下，测量并分辨如此细微的光谱结构，仅靠普通光学手段远远不够。科学家发展出了一系列精巧的实验方法，其中一个典型就是共线激光谱技术[1]。它的基本思路是：让一束高速运动的离子/原子束，与一束频率可以精确调节的激光，在同一条直线束线中相遇，从而极大地压制放射线束流能量离散带来的多普勒展宽。当运动中的离子/原子感受到的激光频率与原子/离子的某个跃迁频率匹配时，原子/离子就会被激发并发出荧光。通过扫描激光频率并记录信号变化，就可以获得超精细结构光谱。此技术可实现的光谱分辨率与约10 mK冷原子/离子所实现的光谱分辨相当，真正实现放射性核束的高分辨光谱测量。
离子束速度与能量关系图，离子束加速过程中，能量离散ΔE保持不变，速度离散及其所导致的多普勒展宽会显著减小；当束流能量达到30~60 keV时，多普勒展宽将达到与谱线自然展宽相当的水平，从而可实现高分辨光谱测量
1. 基础版：共线激光谱技术
想象一下，你站在一条笔直的高速公路旁，看着一辆辆飞驰而过的汽车——这些就是离子束。而你手里有一盏特制的“探照灯”（激光），它发出的光只有一个纯净颜色。当你把灯光的颜色（频率）调节到与某辆车的“专属颜色”匹配时，这辆车就会瞬间“发光”（被激发后辐射荧光）。通过记录发光强度随灯光颜色的变化，就能得到一张高分辨超精细结构光谱图[2]。
关键技术1：给离子束“降速散热”
但要实现高分辨光谱测量，离子束本身必须“听话”。直接从离子源或加速器出来的离子束，速度不一，就像高速公路上车速参差不齐的车流，会导致光谱信号模糊（多普勒展宽）。为此，科学家们设计了一个“射频四极冷却聚束器（RFQ）”。它像一个“冷却室”，离子束进去后，会与里面的缓冲气体碰撞，使其速度趋于一致，最终变成一束“训练有素”的脉冲离子束，从而大幅提升测量精度[3]。
关键技术2：给离子束“穿外套”
此外，为了让离子与激光更好地相互作用，科学家还会让离子“穿上电子外套”。对许多元素而言，适合高分辨测量的离子跃迁往往位于实验上较难获得的波段，或者跃迁强度与探测条件不够理想。因此，实验中常常先把离子束中性化，再测量中性原子的光谱。具体操作是在离子束与激光相遇前，会让它穿过一个“电荷交换室”[4]，里面充满碱金属蒸气（如钠、钾）。离子在这里会与碱金属蒸气发生电荷交换过程，“抢走”碱金属原子的一个电子，从而“穿上”自己的电子外套，变成中性原子，从而可以与激光“对话”。子核可能呈现球形、椭球形、甚至梨形等不同结构。例如，在锂-11等丰中子核中，测得的电荷半径（反映核电荷分布的尺度）明显小于物质半径（核内所有质子和中子占据空间的总体范围），这一差异为其中子晕结构提供了关键证据：两个弱束缚中子像“晕”一样弥散在核芯外围[5]。在更重的核区，测量结果显示，原子核可以是球形的，也可以是橄榄球形的（四极形变），甚至可以是梨形的（八极形变）。这些发现极大地丰富了我们对原子核这个“小宇宙”的认知。
共线激光谱与共线共振电离激光谱技术原理对比示意图[6]
2. 进阶版：共线共振电离激光谱技术
基础版虽然分辨率高，但荧光信号容易被激光杂散光干扰。对于产额极低的稀有核素——可能每秒只有几十个甚至更少——传统荧光探测就不够用了。科学家们因此开发了更灵敏的“进阶版”技术——共线共振电离激光谱[1]。
关键技术3：从“听回音”到“数人头”
共线共振电离激光谱技术不再依赖收集荧光，而是采用“多步激光共振电离”的方式：原子先被激光激发到中间态，再通过另一束或多束激光将其彻底电离，最终由离子探测器直接对产生的离子计数进行高效测量。形象地说，这相当于从嘈杂的房间里听别人喊叫的回声，变成了直接统计有多少人举手——信号干净、高效，哪怕人极少也能数清楚。
从共线激光谱的“听回音”式荧光探测到共线共振电离激光谱的“数人头”式离子探测对比示意图
正是这种从“听回音”到“数人头”的方式，使得共线共振电离激光谱同时兼具高分辨与超高灵敏度，成为研究稀有核素的利器。
三. 解码“密码书”：这些测量有什么用？
激光核谱实验得到的结果，本质上是一份融合了核结构与原子物理信息的“密码书”。通过解读这些信息，科学家可以在多个层面推进对自然的理解。下面将列举一些具体的研究方向，供大家参考。这些例子只是“密码书”中已被解读的一小部分，实际上激光核谱还能够解开更多未知的物理信息。
1. 给原子核“量体”、“测形”
在核结构研究方面，通过测量电四极矩和电荷半径的变化，科学家发现原子核的形状并非一成不变。在不同核区中，原子核可能呈现球形、椭球形、甚至梨形等不同结构。例如，在锂-11等丰中子核中，测得的电荷半径（反映核电荷分布的尺度）明显小于物质半径（核内所有质子和中子占据空间的总体范围），这一差异为其中子晕结构提供了关键证据：两个弱束缚中子像“晕”一样弥散在核芯外围[5]。在更重的核区，测量结果显示，原子核可以是球形的，也可以是橄榄球形的（四极形变），甚至可以是梨形的（八极形变）。这些发现极大地丰富了我们对原子核这个“小宇宙”的认知。
11Li核的双中子晕示意图
2. 检验原子物理的“理论基石”
在原子物理方面，激光核谱提供的高精度实验数据是检验原子理论模型的重要依据。这些理论包括描述光和物质相互作用的量子电动力学（QED），以及处理多电子复杂体系的原子多体理论。激光核谱实验提供的电离势、超精细结构常数、同位素移位等高精度数据，就像一把把“标尺”，可以直接检验这些理论计算的准确性[6]。例如，在铟、镭等重元素中，实验测量结果揭示了电子关联效应和相对论修正的重要性，推动了理论计算方法的持续优化。每一次精确的测量，都是对理论模型的一次“大考”。
3. 参与寻找宇宙中“正反物质不对称”的答案
在更前沿的基础物理问题中，激光核谱也发挥着重要作用。宇宙中正反物质不对称的问题，涉及物理学中的CP对称性破缺。理论预言，一些具有“梨形”结构的原子核由于存在强八极关联，会极大地放大与CP破缺（一种导致正反物质行为差异的机制）相关的可观测信号。当这些原子与其他合适的配体原子结合形成放射性分子（如 RaF）时，有望进一步显著增强对相关CP破缺效应的探测灵敏度。目前，国际上已经开始对这类体系开展光谱研究[7]。
四. 中国力量：从PLASEN到未来大科学装置
在这场探索物质最深层次奥秘的国际竞赛中，中国力量正在迅速崛起。以北京大学物理学院和核物理与核技术全国重点实验室激光核谱与核性质课题组为代表的团队，历经数年攻关，从零开始，逐步建立起完整的共线激光谱技术体系，并成功研制了高性能的PLASEN（Precision Laser Spectroscopy for Exotic Nuclei）谱仪系统，并已经在我国北京放射性核束装置BRIF上投入运行，取得了初步重要成果[8-9]。
随着我国新一代大科学装置的建成与投入运行，这一研究平台也将有望进一步拓展到更远离β稳定线的核区，中国科学家也将在国际基于多学科交叉激光核谱技术的核物理研究中发挥越来越重要的作用。
从读懂原子核与电子的“幽微对话”，到为宇宙之谜寻找答案，中国科学家正手握这把兼具高分辨与高灵敏度的利器，在世界核物理的前沿舞台上，在从原子核内部到宇宙尺度的多个层次上，探寻物质世界的终极奥秘。
北京大学离线PLASEN谱仪布局示意图[6,8]
注：本文图片借助AI大模型辅助生成
参考文献：
[1]. Yang X F, Wang S J, Wilkins S G et al., Laser spectroscopy for the study of exotic nuclei. Progress in Particle and Nuclear Physics, 2023, 129: 104005.
[2]. Bai S W, Yang X F, Wang S J, et al., Commissioning of a high-resolution collinear laser spectroscopy apparatus with a laser ablation ion source. Nuclear Science and Techniques, 2022, 33: 9.
[3]. Liu Y S, Hu H R, Yang X F, et al., Commissioning of a radiofrequency quadrupole cooler-buncher for collinear laser spectroscopy. Nuclear Science and Techniques, 2022, 37: 13.
[4]. Wang S J, Yang X F, Bai S W, et al., Construction and commissioning of the collinear laser spectroscopy system at BRIF. Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A, 2022, 1032: 166622.
[5]. Sanchez R, Nrtershuser W, Ewald G, et al. Nuclear charge radii of 9,11Li: the influence of halo neutrons. Physical Review Letters, 2006, 96: 033002.
[6]. 陈少杰，陈冬阳，杨晓菲等，基于高精度共线激光谱技术的核物理和原子分子物理交叉研究. 科学通报，2025, 71: 1017-1034.
[7]. 梅文聪，杨晓菲，叶沿林，寻找原子核中的CP破缺: 放射性分子的新机遇. 科学通报, 2026, 71: 979–992.
[8]. Hu H R, Guo Y F, Yang X F, et al., Development and characterization of a high-resolution, high-sensitivity collinear resonance Ionization spectroscopy system. Science Bulletin, 2025, 70: 2721-2724.
[9]. Mei W C, Hu H R, Guo Y F, et al., Commissioning and full realization of a collinear resonance ionization spectroscopy setup at Beijing Radioactive Ion-beam Facility, , Phys. Rev. Research 8, 023286（2026）.
