一种稀有的同位素，终于被探测到！

我们都知道，构成万物的原子是由原子核和电子构成的。原子核则是由质子和中子构成的，它们之所以能够紧紧地束缚在一起，是因为自然中的基本力之一——强核力在发挥着作用。

对于一种特定元素来说，同位素指的是其中具相同质子数、不同中子数的原子。稀有同位素则是一些中子数与质子数之间存在巨大不平衡的原子，这些同位素通常要在粒子加速器中产生。对稀有同位素的研究，为科学家验证目前的核结构理论提供了机会，并让他们可以了解更多尚未得到应用的同位素。

上世纪50年代末，物理学家尤金·维格纳（Eugene Wigner）创造了“幻数”一词来形容质子数和（或）中子数为2、8、20、28、50、82、126的原子核，并表示这样的原子核具有更强的结合能，能形成更稳定的非放射性同位素。如果一个原子核同时拥有“幻数”数量的中子和质子，那么它就是一个“双幻核”，应该更加稳定。

在一项最新发表在《自然》杂志上的研究中，一个国际物理学家团队宣布他们首次探测到了氧的一种稀有同位素——氧-28（²⁸O）。物理学家预测，这种同位素应该异常稳定，然而这次新的突破却让研究人员意外地发现：²⁸O并不稳定，它会在形成之后迅速衰变。

  探测氧-28 

氧的最丰富形式是氧-16（¹⁶O），它具有8个质子和8个中子，因此其原子核是一个双幻核。物理学家们曾预言，氧的一种稀有同位素——²⁸O，应该也是一种稳定的双幻核，因为它包含8个质子和20个中子，换句话说，它同时拥有“幻数”数量的中子和质子。那么，这是否意味着²⁸O能够受到强核力的约束，形成一种稳定的束缚同位素？

但与此同时，值得注意的是，²⁸O又有着很高的中子数，那么这是否意味着它会自发地释放中子并衰变？长期以来，物理学家都无从知道这个问题的答案，因为他们此前一直无法探测到²⁸O。

在新研究中，物理学家利用日本理化学研究所的回旋加速器，将一束高能的钙-48（⁴⁸Ca）撞向一个旋转的铍（Be）箔轮。碰撞使得⁴⁸Ca分裂成更轻的原子核，其中大多数是寿命较短的稀有同位素，这些碎片以接近原始粒子束的速度穿过一台可以筛选出氟-29（²⁹F）原子核的光谱仪。²⁹F比²⁸O多一个质子，但中子数相同，是已知的拥有20个中子中最重的束缚原子核。这些分离出来的²⁹F会与液态氢靶相撞，撞掉一个质子，形成²⁸O。

研究人员通过向铍靶发射了一束钙-48同位素，将铍分裂成包括氟-29在内的更轻的原子核。接着，他们用光谱仪筛出了氟-29原子核，它们与氧-28具有相同中子数，只是多了一个质子。然后，这些原子核与液氢靶相撞，敲除了多余的质子，形成氧-28。每个氧-28衰变为4个中子和一个氧-24，探测器探测到了4个中子和一个氧-24，表明氧-28同位素处于非束缚态。（图/Nature）

最终，他们在实验中探测到了4个中子和一个束缚的氧-24（²⁴O）。这意味着，²⁸O并不稳定，虽然还无法精确测量其寿命，但可以确定的是，它们会在形成之后迅速衰变。

研究人员通过在Summit超级计算机上进行模拟，以98%的概率进一步证实了²⁸O不是一个束缚原子核。

  新的见解 

新的发现也通过提供了与极富中子的原子核有关的新见解，增强了我们对核结构的理解，这或将激发核物理学中更多令人兴奋的新研究。如果这一结果可以在其他实验中重现，那么物理学家或将需要重新思考现有的原子核结构理论。

#创作团队：

撰文：小雨‍‍

排版：雯雯

#参考来源：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06352-6

https://www.nature.com/articles/d41586-023-02713-3

https://www.ornl.gov/news/doubly-magic-rare-isotope-oxygen-28-cant-overcome-its-neutron-rich-instability

#图片来源：

封面图首图：Andy Sproles/ORNL