原子分光で原子核を探る― 多価イオン精密分光で希土類原子核の謎に迫る ―

2026-10-15 核融合科学研究所,電気通信大学

核融合科学研究所、電気通信大学、米国クレムソン大学、フランスのグルノーブル・アルプ大学などの国際研究チームは、多価イオンが放出する極端紫外光を精密に測定し、原子核の大きさを評価する新手法を実証した。電気通信大学の装置「Tokyo-EBIT」でルテチウム(Lu)とイッテルビウム(Yb)の多価イオンを生成し、発光スペクトルを高精度に測定。原子構造計算と組み合わせ、原子核の大きさが電子のエネルギー準位に及ぼす微小な変化を抽出した。その結果、従来のデータベースで示されていた「ルテチウムの原子核は隣接するイッテルビウムより大きい」という異常な傾向が誤りであることを示し、原子核半径の偶奇性を確認した。一方、観測された偶奇性は現在の理論では十分に説明できず、重い原子核の構造に新たな課題を提起した。本手法は、従来難しかった異なる元素間の原子核半径の直接比較を可能にし、核構造研究に加え、核融合プラズマ診断や短波長光源開発などへの波及も期待される。

原子分光で原子核を探る― 多価イオン精密分光で希土類原子核の謎に迫る ―
図1:多価イオンの模式図とその発光過程。多価イオンの束縛電子は、原子核近傍に存在する。

<関連情報>

変形した希土類原子核における電荷半径の不可解な等張性奇偶ずれ Puzzling isotonic odd-even staggering of charge-radii in deformed rare earth nuclei

E. Takacs, H. Staiger, S. A. Blundell, N. Kimura, H. A. Sakaue, R. F. Garcia Ruiz, W. Nazarewicz, P.-G. Reinhard, C. A. Faiyaz, C. Suzuki, Dipti, I. Angeli, Y. Ralchenko, I. Murakami, D. Kato, Y. Nagai, R. Takaoka, Y. Miya & N. Nakamura
Nature Communications  Published:26 September 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-77471-7  Early provide

Abstract

Isotonic (constant neutron number) systematics in the deformed rare-earth region have long suggested that nuclei with odd numbers of protons are more compact than their even-proton neighbors—except for Lu, whose recommended nuclear charge radius appeared anomalously large relative to Yb and Hf. We report a high-precision determination of the natural-abundance-averaged Lu-Yb charge-radius difference using extreme-ultraviolet spectroscopy of highly charged Na- and Mg-like ions, supported by high-accuracy relativistic atomic-structure calculations—a recently introduced method with the unique ability to measure inter-element charge-radius differences. Combined with muonic-atom and optical isotope-shift data, our results reestablish a pronounced odd-even staggering along the isotonic chain with neutron number N = 94. Nuclear density functional theory calculations, including quantified uncertainties, fail to reproduce the large stagger, while successfully reproducing the charge-radii staggering along isotopic chains and in semi-magic nuclei. In this work, we resolve the Lu inversion anomaly and provide new constraints for experimental and theoretical studies of nuclear size.

1701物理及び化学
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