科学家检测到罕见氧同位素

时间： 2023-09-02 03:36     浏览量：512

本报讯 通过将一套强大的仪器与一些实验技巧结合，物理学家首次探测到氧-28—— 一种氧同位素，其原子核中有12个额外的中子。科学家之前预测这种同位素异常稳定。但对28O原子核的初步观察表明，情况并非如此。一个研究小组8月30日在《自然》上报道称，28O核在形成后便迅速分解。如果这些结果可以复制，物理学家可能需要更新原子核结构理论。

宇宙中最强的力是把原子核中的质子和中子结合在一起的力。日本东京工业大学物理学家Takashi Nakamura说，为了解元素是如何形成的、中子星的物理特性以及其他更多问题，科学家需要更好地了解这种强大的核力。一种流行的方法是将过量的中子加载到轻质原子核，如氧原子核中，然后观察会发生什么。

目前的理论认为，具有一定数量质子和中子的原子核本质上是稳定的。这是因为质子和中子填满了原子核的“壳层”。当一个壳层被刚好数量适合的质子或中子填满时，要增加或减少粒子就变得非常困难。这是一些“神奇”的数字，其中包括2、8、20、28、50、82和126个粒子。如果一个原子核同时拥有“神奇”的中子和质子数，它就会变得“双重神奇”，因此也就更加稳定。

氧最丰富的形式是16O，它拥有“双重神奇”，即8个质子和8个中子。氧-28有8个质子和20个中子，长期以来一直被预测拥有“双重神奇”。但物理学家此前一直没能探测到它。

观察28O需要几个实验技巧。整个操作的关键是位于日本的放射性束流工厂产生的强烈放射性同位素流。科学家向铍靶发射了一束钙-48同位素，从而产生了氟-29同位素。这个同位素的原子核比28O多一个质子，但中子数相同。接下来，科学家将29F撞向一个厚厚的液态氢屏障，将一个质子从原子核中敲出，最终生成了28O。

这种罕见的氧形式存在的时间太短，无法被直接观察到。研究小组转而探测了它的衰变产物——氧-24和4个中子，这在几年前几乎是不可能的。

Nakamura说，这是科学家第一次同时检测到4个中子。“它们就像幽灵。”他这样评价中子。

为观察单个中子，研究小组使用了一个从德国亥姆霍兹重离子研究中心借来的强大探测器。在这个特殊的探测器中，入射的中子在撞击质子时会暴露出来。Nakamura说，论文主要作者、东京工业大学物理学家Yosuke Kondo通过模拟验证了这些棘手的测量结果。

“他们真的做足了功课。”美国北卡罗来纳大学教堂山分校物理学家Robert Janssens表示，“他们做了所有能做的检查。这是一项杰作。”

虽然该团队无法精确测量28O的寿命，但Nakamura说，这种同位素的行为并没有表现出“双重神奇”，它几乎一出现就分解了。（文乐乐）

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06352-6

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