科學(xué)家最終探測到氧-28，它的不穩(wěn)定性令人驚訝

埃利斯·卡茨

物理學(xué)上的“魔法數(shù)字”或許根本就沒有魔力。

通過使用一臺強大的粒子加速器，研究人員首次發(fā)現(xiàn)了一種奇異的氧元素變體。同位素氧-28 由于它的8 個質(zhì)子和20 個中子——這一“魔法”數(shù)字與原子核強穩(wěn)定性相關(guān)——因此被預(yù)測為是穩(wěn)定的。但是對氧-28 的首次觀察揭示出，它異常短暫，不能持久：它的原子核在1 仄秒（0.000 000 000 000 000 000 001 秒）后就會坍塌。研究人員在8 月31 日出版的《自然》上就此作了報告。

這項發(fā)現(xiàn)“ 是一個巨大的驚奇”， 來自加拿大圣瑪麗大學(xué)的物理學(xué)家里圖帕納· 卡農(nóng)戈（RituparnaKanungo）說道，他并沒有參與到此項研究中。“我們的確有幾種先進(jìn)的理論試圖預(yù)測并解釋氧-28 所應(yīng)呈現(xiàn)出的樣子，”卡農(nóng)戈說道，但是“所有的這些理論都不能解釋觀察到的結(jié)果。”

原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成，它們中的每一個都被認(rèn)為占據(jù)著它們自己的“殼”——被大能隙分開的離散能級。擁有完整外殼的原子核被約束得十分緊密，這使得它們非常穩(wěn)定。當(dāng)它們擊中2 個、8 個、20 個、28 個、50 個、82個和126 個亞原子粒子時，殼層會被填滿。

一種特殊元素的原子擁有固定數(shù)量的質(zhì)子，但是可以有不同數(shù)量的中子。舉例來說，我們呼吸的空氣含有同位素氧-16，它有8 個質(zhì)子和8 個中子。這使得它具備“雙重魔力”，并且極其穩(wěn)定。氧-28 具備20 個中子和8 個質(zhì)子的雙重魔力，也被認(rèn)為是穩(wěn)定的。

這種同位素的發(fā)現(xiàn)是將暴力破解與實驗技巧相結(jié)合，來自東京理工學(xué)院的近藤洋介（Yosuke Kondo）和他的同事使用一臺粒子加速器將鈣-48 原子打碎到鈹靶上，這使得鈣-48 原子分裂成更輕的同位素，包括氟-29；將氟-29 投向一種液氫靶標(biāo)，會使1 個質(zhì)子脫落，由此產(chǎn)生了氧-28。

與預(yù)期相反的是，氧-28 幾乎立即坍塌，就像桶中裝滿了太多的球，其裝填過滿的原子核發(fā)生溢出，脫落掉4個中子并將氧-24 留下來。通過同時檢測到這些衰變產(chǎn)物，科學(xué)家表明他們制造出了氧-28。

氧-28 令人驚訝的不穩(wěn)定暗示著現(xiàn)行有關(guān)強核力的理論存在著某些缺失，強核力將質(zhì)子和中子束縛在原子核中。

“我認(rèn)為這可能會引發(fā)許多理論的發(fā)展，”卡農(nóng)戈說道，“這再次表明，全面理解自然界中最強力是個極富挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

王麒 譯自 《科學(xué)新聞》（Science News）2023 年10 月7 日