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魔术数字使镍核变得更强

互联网 2019-06-11 18:06:52

研究人员为罕见的原子核提供了第一个直接证据。特殊镍核(78 Ni)是典型镍(58 Ni)的同位素,这意味着它们具有相同数量的质子但具有不同数量的中子。通常更多的中子使同位素不太稳定,但这种同位素是特殊的。 78 Ni比其他具有相似中子数的镍同位素更坚韧或更坚硬 - 需要更多的能量才能将78 Ni 激发 到不同的状态。

通过重力将行星等大型物体固定在一起。较小的东西,如猫,通过电磁学结合在一起。这些力量在日常生活中非常熟悉。但是深入研究甚至超出原子水平,你会发现构成原子核的亚原子粒子 - 核子由强核力结合在一起。这个亚原子领域是UTokyo研究员Ryo Taniuchi及其同事探索的地方。

典型的镍原子在28个质子(带正电的核子)和30个中子(中性核子)的核周围有28个电子(负电荷)。世界上所有镍的百分之七十都是这样的。镍中的中子和质子之间的差异越大,它就越容易受到称为β衰变的不稳定效应的影响。然而,尽管 78 Ni具有比典型镍同位素更多的中子,但它比大多数中子更难。

那么为什么 78 Ni如此特别,是什么让它变得如此僵硬呢?

这是因为魔法,但不是哈利波特的那种。在核物理学中,幻数指的是许多质子或中子,据说它们在核内形成完整的壳,这些结构比不完整的壳更坚固。这些shell的想法有些委婉,因为我们谈论的是日常经验逻辑不适用的量子域。但在这种情况下,完整的壳与核的强度有关。用完整的壳体激发和破坏原子核需要更多的能量。

因此,如果一个原子具有神奇数量的质子,它将比没有原子的原子更坚韧。同样地,如果一个原子具有神奇数量的中子,它也比没有原子的那个更难。然而,如果一个原子同时具有神奇数量的质子和中子,那么它就被称为双重魔法,并且预计会更加坚硬。Taniuchi及其同事证明 78 Ni是双重魔法,但这不是一个简单的伎俩。

“据我们所知 ,地球上不存在78 Ni,所以要研究它,我们必须制造一些,”Taniuchi说。“要做到这一点,我们不得不拆开一些重铀, 238 U,这对于制造富含中子的原子核是有益的。为此,我们在日本的RIKEN使用了强大的放射性同位素光束工厂(RIBF)。“

研究人员使用RIBF 在目标上粉碎 238 U颗粒,以诱导人工裂变(分裂)反应。 78 Ni是他们建立的反应产物之一。RIBF的仪器也允许他们探测他们创建的样品。为此,研究人员从他们的78 Ni样品中观察了伽马射线(一种辐射) 并记录了它们的特征。在这种情况下,Taniuchi及其同事在伽马射线数据中寻找一个标志性的特征来证实他们的假设。

“这是一项非常艰巨的任务,需要很长时间,但对我的博士来说这是值得的。你需要足够的数据来识别双重神奇的特征,尽管可以访问世界领先的加速器设施RIBF,但我们还是努力争取到这一点,“Taniuchi说。“实验结束后,来自世界各地的同事帮助分析了数据。结果表明, 78 Ni是双重魔法,但是在78 Ni以上的同位素中,神奇的性质突然消失 。“

你可能想知道78 Ni首先是多么重要 。它的存在实际上可能是理解物质起源的关键。没有它,生活可能是不可能的。

“如果没有某些沉重的元素,地球就像我们所知道的那样,所以重要的是要知道它们来自何处。我们知道很多都是在超新星爆炸中产生的 - 巨星的死亡之痛 - 甚至是中子星之间的碰撞,“Taniuchi解释说。“我们有充分的理由相信 78 Ni和不稳定的核在这个过程中发挥了重要作用 - 称为核合成。作为我们发现的结果,探索这个迷人领域的研究人员可以创造出更好的物质起源观点。“