《自然》首次观测到最重氧同位素，或更新原子核理论

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▎药明康德内容团队编辑
氧原子的结构是什么样的？我们熟悉的氧原子包含了8个质子和8个中子，也就是氧16（16O）。16O也的确是自然界最常见的氧同位素，占所有氧原子的99.7%以上。除此以外，自然界还存在两种稳定的氧同位素——17O和18O。虽然含量不高，但自然界样本中的18O比例可以帮助科学家们重建气候环境以及地球历史。
但这还不是氧的全部。氧还有多个不稳定的放射性同位素，它们很快就会发生衰变。其中已知最重的，是含有16个中子的24O。
现在，一项发表于《自然》杂志的最新研究刷新了关于氧同位素的现有认知。东京工业大学领导的研究团队通过对衰变产物的检测，首次观察到两种全新的氧同位素——28O和27O——存在的证据。尤其是由8个质子和20个中子组成的28O，其与预测截然不同的性质表明，关于原子核结构的理论可能需要更新。

通常情况下，轻元素的质子数和中子数相近，在这种情况下原子核容易保持稳定。相反，如果中子数远超质子数，这样的同位素往往无法稳定存在，它们会以共振态经历自发的中子发射。
另一方面，“幻数”则是一种能让原子核更稳定的“魔法”数字。由于原子核的壳层结构，当质子或中子数是2、8、20、28、50等幻数时，原子核相对而言会比较稳定；而当质子和中子数均为幻数，这样的原子核就是更加稳定的神奇“双幻数”（doubly magic）。对于氧原子，最常见的16O就是这样的双幻数；而含有20个中子的“双幻数”28O从未被观察到，但科学家预测，这种同位素应该具有稳定的性质。

▲28O的质子与中子数符合“双幻数”特征（图片来源：参考资料[1]）

在这项研究中，研究团队使用理化研究所的回旋粒子加速器加速钙48原子束，这些高能粒子撞击铍靶标，分裂成较小的粒子，包括氟29（29F）。由于29F与28O中子数相同、只是多了一个质子，因此研究团队随后通过光谱仪，从撞击产物中筛选出29F用于进一步的实验。

▲理化研究所的回旋粒子加速器（图片来源：Nishina Center for Accelerator-Based Science）

接下来，他们用29F撞击液态氢靶标，结果29F丢失一个质子，形成28O。这种共振态的持续时间非常短暂，因此研究团队追踪、探测到的是28O的衰变产物——24O和4个中子。这也是科学家首次同时实现对4个中子的检测。在相同的测定中，研究团队还探测到27O的衰变产物，即24O和3个中子。
虽然目前无法精准地测定28O的寿命，但可以确定的是，不同于预测中的稳定性质，28O几乎一形成就会消失。这一发现将为更深入地理解原子核结构，尤其是极富中子的原子核提供全新的见解。神奇的“幻数”可能并非是一层不变的，而质子与中子能够稳定结合的数量极限是什么？答案将有待进一步研究的探索。
参考资料：
[2] Exploring light neutron-rich nuclei: First observation of oxygen-28. Retrieved September 1, 2023 from https://www.eurekalert.org/news-releases/999761

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