[读懂科学]“必须重写现有理论”……日本科学家惊人发现

Published 31 Aug.2023 10:14(KST)

Updated 31 Aug.2023 11:38(KST)

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首次成功探测到氧‑28同位素
与既有理论不同立即发生衰变
“必须修改原子结构稳定性的‘魔数’”

日本科学家首次成功制造出此前仅存在于理论中的氧同位素——氧-28（28O）。然而，研究过程中发现的一个事实，可能意味着物理学界现有的原子结构理论需要被重写，引发关注。

日本东京工业大学研究团队于30日（当地时间）在国际学术期刊《Nature》上发表了相关论文。氧元素（O）被认为可以由含有8个质子和3至18个中子的原子核构成，目前已知存在15种氧同位素。其中，在自然界中可以发现的稳定同位素只有中子数为8、9、10个的三种，即16O、17O、18O。其中16O占比高达99.8%，为绝对多数。其余12种同位素由于发生放射性衰变，具有半衰期很短的不稳定特性。

研究团队利用日本理化学研究所（RIKEN）拥有的超导重离子加速器（RIBF），首次成功制造并探测到含有20个中子的氧-28。研究团队首先向铍（Beryllium）元素发射钙-48同位素束，生成氟-29同位素。氟-29同位素的原子核中质子数比氧-28多1个，但中子数同为20个。随后，研究团队让氟-29同位素撞击厚液氢靶，使其原子核中1个质子逃逸，从而成功生成氧-28。

问题在于，与既有理论不同，氧-28（8个质子、20个中子）在生成后立即发生衰变并消失。这与此前关于原子结构的理论预测不一致。科学家们一直认为，拥有特定“幻数”（magic number）个质子或中子的原子核会更加稳定。比如，当氧同位素的中子数为2、8、20、28、50、92、126等特定数值时，不易发生衰变，而且随着数字增大，其稳定性会成倍提高。基于此，科学家们在预测氧-28存在的同时，一直认为它作为“幻数”核，应当是一种半衰期较长的稳定物质。

相反，研究团队最终只能探测到衰变产物——氧-24（24O）和4个中子。直到几年前，实验最多只能同时测量2个中子，因而无法确认是否生成了氧-28。而本次成功同时观测到4个中子，也由此确认了氧-28的生成。为此，研究团队在理化学研究所自有设备之外，还从德国GSI亥姆霍兹重离子研究中心租借了特殊探测器。这一设备能够捕捉到与质子发生碰撞瞬间的中子。

东京工业大学研究员Nakamura Takashi表示：“虽然尚未精确测定氧-28的寿命，但我们确认，它在生成后会立即衰变，而不是像此前预测的那样稳定。”

科学界认为，尽管今后仍需更多验证，但这一成果被评价为可能迫使人们重写现有原子结构理论的创新性研究。早在2009年，加拿大圣玛丽大学研究团队就曾发表研究结果称，另一种氧同位素氧-24虽然拥有16个中子，并不属于具有“稳定性”的幻数范围，但其半衰期却相对较长，达到61毫秒（ms，1ms为千分之一秒）。对于氧-24而言，8个质子和16个中子之间存在强结合，因此其寿命相对较长，这也意味着数字“16”有可能被纳入现有原子结构理论中的幻数范围。