科學(xué)家檢測到罕見氧同位素

通過將一套強(qiáng)大的儀器與一些實驗技巧相結(jié)合，物理學(xué)家首次探測到氧-28——一種氧同位素，其原子核中有12個額外的中子。科學(xué)家早就預(yù)測這種同位素異常穩(wěn)定。但對²⁸O核的初步觀察表明，情況并非如此。一個研究小組8月30日在《自然》上報道稱，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，為了解開元素是如何形成的、中子星的物理特性以及其他更多的問題，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量的中子加載到輕質(zhì)原子核中，如氧原子核，看看會發(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。這是因為質(zhì)子和中子填滿了原子核的“殼層”。當(dāng)一個殼層被剛好合適數(shù)量的質(zhì)子或中子填滿時，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個粒子。如果一個原子核同時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個質(zhì)子和8個中子。²⁸O有8個質(zhì)子和20個中子，長期以來一直被預(yù)測是“雙幻核”,但物理學(xué)家此前一直沒能探測到它。

觀察²⁸O需要幾個實驗技巧。整個操作的關(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。科學(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。這個同位素的原子核比²⁸O多一個質(zhì)子，但中子數(shù)相同。接下來，科學(xué)家們將²⁹F撞向一層厚厚的液態(tài)氫屏障，將一個質(zhì)子從原子核中撞出，生成²⁸O。

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

Nakamura說，這是科學(xué)家第一次同時檢測到4個中子。“它們就像幽靈。”他這樣評價中子。

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

“他們真的做足了功課。”美國北卡羅來納大學(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。這是一項杰作。”

雖然該團(tuán)隊無法精確測量²⁸O的壽命，但Nakamura說，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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