科學(xué)家檢測(cè)到罕見(jiàn)氧同位素

通過(guò)將一套強(qiáng)大的儀器與一些實(shí)驗(yàn)技巧相結(jié)合，物理學(xué)家首次探測(cè)到氧-28——一種氧同位素，其原子核中有12個(gè)額外的中子?？茖W(xué)家早就預(yù)測(cè)這種同位素異常穩(wěn)定。但對(duì)²⁸O核的初步觀察表明，情況并非如此。一個(gè)研究小組8月30日在《自然》上報(bào)道稱，²⁸O核在形成后迅速分解。如果這些結(jié)果可以復(fù)制，物理學(xué)家可能需要更新原子核結(jié)構(gòu)的理論。

宇宙中最強(qiáng)的力是把原子核中的質(zhì)子和中子結(jié)合在一起的力。日本東京工業(yè)大學(xué)物理學(xué)家Takashi Nakamura說(shuō)，為了解開(kāi)元素是如何形成的、中子星的物理特性以及其他更多的問(wèn)題，科學(xué)家需要更好地理解這種強(qiáng)大的核力。一種流行的方法是將過(guò)量的中子加載到輕質(zhì)原子核中，如氧原子核，看看會(huì)發(fā)生什么。

目前的理論認(rèn)為，具有一定數(shù)量質(zhì)子和中子的原子核本質(zhì)上是穩(wěn)定的。這是因?yàn)橘|(zhì)子和中子填滿了原子核的“殼層”。當(dāng)一個(gè)殼層被剛好合適數(shù)量的質(zhì)子或中子填滿時(shí)，要增加或減少粒子就變得非常困難。這些是“神奇”的數(shù)字，被認(rèn)為包括2、8、20、28、50、82和126個(gè)粒子。如果一個(gè)原子核同時(shí)擁有神奇的中子和質(zhì)子數(shù)，它就是“雙幻核”，也因此更加穩(wěn)定。

(資料圖片僅供參考)

氧的最豐富的形式是¹⁶O，它有8個(gè)質(zhì)子和8個(gè)中子。²⁸O有8個(gè)質(zhì)子和20個(gè)中子，長(zhǎng)期以來(lái)一直被預(yù)測(cè)是“雙幻核”,但物理學(xué)家此前一直沒(méi)能探測(cè)到它。

觀察²⁸O需要幾個(gè)實(shí)驗(yàn)技巧。整個(gè)操作的關(guān)鍵是由位于日本的放射性束流工廠產(chǎn)生的強(qiáng)烈放射性同位素流?？茖W(xué)家向鈹靶發(fā)射了一束鈣-48同位素，產(chǎn)生了氟-29同位素。這個(gè)同位素的原子核比²⁸O多一個(gè)質(zhì)子，但中子數(shù)相同。接下來(lái)，科學(xué)家們將²⁹F撞向一層厚厚的液態(tài)氫屏障，將一個(gè)質(zhì)子從原子核中撞出，生成²⁸O。

這種罕見(jiàn)的氧存在時(shí)間太短，無(wú)法直接觀察到。取而代之，研究小組探測(cè)了它的衰變產(chǎn)物：氧-24和4個(gè)中子，這在幾年前似乎是不可能的。

Nakamura說(shuō)，這是科學(xué)家第一次同時(shí)檢測(cè)到4個(gè)中子?！八鼈兙拖裼撵`?！彼@樣評(píng)價(jià)中子。

為觀察單個(gè)中子，研究小組使用了一個(gè)德國(guó)亥姆霍茲重離子研究中心借來(lái)的強(qiáng)大的探測(cè)器。在這個(gè)特殊的探測(cè)器中，入射的中子在撞擊質(zhì)子時(shí)被發(fā)現(xiàn)。Nakamura說(shuō)，論文主要作者、東京工業(yè)大學(xué)物理學(xué)家Yosuke Kondo，使用模擬幫助驗(yàn)證這些棘手的測(cè)量結(jié)果。

“他們真的做足了功課?！泵绹?guó)北卡羅來(lái)納大學(xué)教堂山分校物理學(xué)家Robert Janssens表示，“他們做了所有能做的檢查。這是一項(xiàng)杰作?！?/p>

雖然該團(tuán)隊(duì)無(wú)法精確測(cè)量²⁸O的壽命，但Nakamura說(shuō)，這種同位素的行為并不像雙幻核一樣，它幾乎一出現(xiàn)就分解了。

相關(guān)論文信息： https://doi.org/10.1038/s41586-023-06352-6

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