241Am α粒子在金属薄膜中能量损失的高精度测量与第一性原理计算研究

研究人员针对α粒子在Al、Cu、Sn、Au薄膜中能量损失(ΔE1)测量精度不足的问题，通过0.7%超高精度实验与SLPA-LM第一性原理计算，发现ASTAR模型预测偏差仅-0.3%，而SRIM偏差达-2.0%，为核物理与材料辐照损伤研究提供了关键基准数据。

　　

在核物理与材料科学交叉领域，α粒子与物质的相互作用机制一直是基础研究的核心课题。自居里夫人时代开启相关研究以来，尽管积累了海量数据，但不同实验组的结果差异可达数十个百分点——这种惊人的离散度暴露出测量精度与理论模型的根本缺陷。更棘手的是，现有主流模型ASTAR和SRIM均依赖质子停止功率数据外推参数，这种"用A粒子数据预测B粒子行为"的间接方法，在要求严苛的辐射防护、聚变堆材料设计等应用中埋下了不确定性隐患。

针对这一百年难题，圣保罗州立大学（Universidade Estadual Paulista）的研究团队在《Radiation Physics and Chemistry》发表了一项标杆性工作。他们选择241Am释放的5.48556 MeV α粒子作为探针，以经得起直接称重的Al、Cu、Sn、Au金属薄膜为靶材，通过创新性的双源校准（241Am+天然钍）和6.5 mm准直器设计，将系统误差压缩至0.7%的里程碑水平。尤为关键的是，团队首次将无自由参数的SLPA-LM（壳层局域等离子体近似-莱文梅明）第一性原理计算与实验数据直接对标，为验证量子电介质理论提供了黄金标准。

关键技术包括：1）采用PIPS探测器配合双α源（8.8-3.9 MeV）动态校准；2）通过直接称重法测定质量厚度ρx₀=Δm/ΔA；3）引入莱文-梅明介电函数处理束缚电子响应；4）采用0.1%径迹倾角修正算法。

【结果与讨论】

1. 能量损失测量：ASTAR模型对Cu的预测偏差最小（-0.3%），而SRIM在相同靶材出现-2.0%偏差，揭示后者参数化方案存在系统性缺陷。
2. 厚度效应：通过非薄靶设计（ρx₀≈mg/cm²级）验证了质量厚度测量的绝对可靠性，但代价是无法直接获取停止功率S=-dE/dx。
3. 理论验证：SLPA-LM仅依赖原子径向波函数与壳层结合能，其计算结果与实验吻合度超越半经验模型，证实量子介电理论在预测停止截面(SCS)中的优越性。
4. 误差分析：电子设备长期稳定性贡献最大不确定度（0.33%），靶材均匀性影响被准直器有效抑制。

这项研究的意义远超常规核数据测量：其0.7%的系统误差控制水平，使得数据能敏感捕捉到库仑修正高阶项效应，这对500 MeV级轫致辐射实验的靶厚标定具有直接应用价值。从理论层面看，SLPA-LM的成功验证开辟了"从第一性原理预测停止功率"的新范式，为聚变堆材料辐照损伤模拟、太空探测器屏蔽设计等工程问题提供了更可靠的计算工具。正如研究者强调的，当传统模型仍在通过质子数据"间接推测"α粒子行为时，他们的工作证明：基于基本量子力学参数的直接计算，完全可以突破经验主义的桎梏。