世界最重氧同位素首次被观测到，将检验原子核结构理论模型

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世界最重氧同位素首次被观测到，将检验原子核结构理论模型

2023-08-31 16:37:40 来源：澎湃新闻小 中

钙-48同位素光束轰击铍靶，经筛选、“剔除”质子，最终产生最重的氧同位素——氧-28。

(资料图)

世界上最重的氧同位素——氧-28第一次被找到。人们对它的研究，有望对原子核结构现代理论或模型进行严格的检验。

北京时间8月30日23时许，国际顶级学术期刊《自然》（Nature）发表论文称，首次观测到极丰中子的氧同位素——氧-27、氧-28。

该论文的通讯作者是日本东京工业大学物理系助理教授近藤洋介（Yosuke Kondo）。来自日本、德国、法国、瑞典、荷兰、韩国、黎巴嫩等国家的人员组成了联合研究团队。

“他们利用世界上最强大的回旋加速器，完成了寻找氧-28这一具有挑战性的壮举。”加拿大圣玛丽大学物理学教授、加拿大粒子加速器中心科学家里图帕娜·卡农戈（Rituparna Kanungo）在其评论文章中称。

虽然人们预测过同位素氧-28的存在，但此前没有人观测到过这一衰变时间极短的同位素。人们之前认为氧-28原子核中的中子和质子具有很强的结合力。但现在的实验显示，它以非束缚状态存在。

在前述研究中，氧-27、氧-28是被人为制造出来的：他们将一束高强度的稳定的钙-48同位素光束激发到总能量约为160亿电子伏特，轰击一个旋转的铍靶。碰撞使钙-48分裂成更轻的原子核，其中大部分是寿命较短的稀有同位素。碎片飞过一个光谱仪，筛选出同位素氟-29。后者只比氧-28多一个质子。氟-29随后与液氢相撞，被“剔掉”一个质子，从而产生氧-28。

近藤洋介等人测量了实验中衰变产物的动量矢量，并利用这些结果推导出了氧-28的能谱，发现其能谱的峰值相当低，约为兆电子伏特。而这一发现与之前所有的理论预测都不符。

根据实验中的观测和计算结果，研究人员推断，氧-27、氧-25都不可能是氧-28衰变产生的。而氧-28的衰变是按顺序进行的：先发射出两个中子，形成一个氧-26核，然后再发射出两个中子，形成束缚的氧-24核。

原子核被认为是由质子和中子组成的量子多体系统。从1911年物理学家卢瑟福提出原子有核，110多年来，人们没有停止对原子核结构的继续探究。

因对原子核和基本粒子理论所做的贡献，特别是对称性基本原理的发现和应用，1963年，美籍物理学家尤金·保罗·维格纳（左）被授予诺贝尔物理学奖；因在核壳结构方面的发现，当年，美籍物理学家玛丽亚·格佩特·迈耶（中）和德国海德堡大学教授约翰内斯·汉斯·丹尼尔·延森（右）也被授予了诺贝尔物理学奖。

诺贝尔奖官网发布的信息称，根据现代物理学，原子由核子（质子和中子）组成的原子核，以及分布在周围壳内的电子组成。1949年，美籍物理学家玛丽亚·格佩特·迈耶（Maria Goeppert Mayer）和德国海德堡大学教授约翰内斯·汉斯·丹尼尔·延森（Johannes Hans Daniel Jensen）开发了一个理论模型，在该模型中，核子分布在不同能级的壳层中。1963年，为了奖励玛丽亚·格佩特·梅耶尔和约翰内斯·汉斯·丹尼尔·延森对原子核壳结构的发现，他们被授予当年的诺贝尔物理学奖，并各自获得四分之一的奖金。

而将一个物理系统置于极端条件下，是为了更好地理解和深入洞察其组织和结构。就原子核而言，其中一种方法就是研究中子-质子比（N/Z）与稳定原子核中的中子-质子比截然不同的同位素。丰中子同位素，尤其是中子与质子比明显不同于稳定核的轻同位素，为原子核结构的现代理论模型提供了严格的检验。

同位素也是原子。质子数相同但中子数不同的原子互称同位素。它们的化学性质几乎相同，但质量不同，因此物理性质也不同。不稳定的同位素因为衰变、辐射，被称为放射性同位素。

氧有10多个已知同位素，其中只有3个是天然存在的、稳定的同位素——氧-16、氧-17、氧-18，其他的都具有放射性。

氧-16的含量最高，占我们呼吸的氧气中的绝大部分。它的原子核中有8个质子和8个中子。

而氧-28的原子核中有8个质子和20个中子。

研究人员认为，前述的发现提供的新见解，将加深我们对原子核，特别是极端丰中子原子核的结构的理解。此外，前述论文中使用的多中子衰变光谱技术，使得人们对多中子相关性的详细研究和对其他奇异系统的研究现在成为可能。

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