質子幻數新發現丨原子核也有神奇的“魔法數字”！_風聞

原子核中質子數或中子數達到某些特定值時，原子核的結構特別穩定，這個值被稱為幻數。隨着研究的深入，物理學家發現幻數並不是一成不變的：傳統幻數可能會消失，新幻數也會出現。其中，新質子幻數非常罕見。近日，來中國領導的團隊發現了一個新的質子幻數，原子核世界中的“雙幻核”，再添一位新成員！

撰文 | 邢元明、羅胤芳

你是否擁有自己的幸運數字？無論是買彩票，還是選手機尾號，都會更青睞這樣的數字，相信它們會給自己帶來好運？如果任何和自己有關的編號剛好就是這個數字，那彷彿是命中註定，如同被賜予了神奇的魔力。

以上可能只是部分人的主觀感受，但你知道嗎，在被客觀的物理定律所支配的自然界中，也確實存在一些特殊的好似有某種“魔力”的數字——“magic number”（“魔法數字”）。這些數字所藴藏的奧秘，至今仍是吸引科學家們不斷探索的核物理前沿熱點。

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大自然的偏愛

各種各樣的原子構成了我們所處的物質世界。原子由位於原子中心的原子核和核外電子組成，原子核則由一定數目的核子（質子和中子）組成。

我們知道，原子的化學性質，主要取決於原子序數（即核電荷數或電子數）。當原子的電子數等於一些特殊的數字時，比如2、10、18、36、54、86時，原子變得極為穩定。這些特殊數字剛好就是電子填滿原子各個殼層時的數目。

在比原子還要小的原子核的微觀世界裏，也有一組被大自然偏愛的“幸運數字”——比如，2、8、20、28、50、82、126。當構成原子核的質子數（用大寫字母Z表示）或中子數（用大寫字母N表示）正好是這些數字時，原子核就好像被施了“魔法”一樣，變得格外結實！這些數字也因此被核物理學家稱為幻數（Magic Number）。

幻數的發現始於20世紀上半葉，人們開始注意到某些元素（擁有某些特定數目質子的原子核）在自然界中含量更多，它們的性質也更加穩定。比如氧（Z=8）、鈣（Z=20）、鎳（Z=28）、錫（Z=50）、鉛（Z=82）等，就擁有相對較多的穩定同位素(Z相同，但N不同)。具體如錫元素，它擁有多達10種穩定同位素，但它的鄰居鎘（Z=48）只有6種，而銦（Z=49）則只有可憐的1種。這表明擁有特定質子數目的原子核很特別，可以結合多種數目的中子形成穩定的狀態。

圖 在穩定同中子素的數量統計中，幻數位置的數量明顯突出。圖源| 《原子核物理》 盧希庭主編

同樣，當原子核的中子數目為這些幸運數字時，也表現出了額外的穩定性。為什麼擁有幻數的原子核會相對比較穩定呢？科學家相信，在“大自然的偏愛”背後，一定還隱藏着原子核內部深層次的秩序。

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科學家如何解釋幻數呢？

20世紀40-50年代，物理學家梅耶（M. G. Mayer）和簡森（J. H. D. Jensen）等分別獨立提出了原子核的殼模型（Shell Model），成功解釋了幻數的形成機制。因為這項開創性的工作，他們獲得了1963年的諾貝爾物理學獎。

圖：物理學家梅耶和簡森丨圖源：United States Department of Energy, nobelpress.org

殼模型指出，原子核存在類似原子的殼層結構，不僅每一殼層可以填充的核子數在變化，相鄰殼層的高度（能級差）也不相同。一旦某一個特殊殼層填滿核子後，原子核會格外穩定，再想從中分離出一個或多個核子就會十分困難。

我們可以嘗試通過比喻來理解原子核殼模型和幻數。想象原子核是由結構相似的兩棟單元樓組成的“公寓”，兩棟樓分別住着中子和質子，每層樓可容納的核子數不同。樓內有一些“特殊樓層”，層高比一般樓層高出許多。公寓樓建好後，住户們（質子和中子）開始陸續搬進來。因為沒有電梯，為了節省能量，大家都從低樓層依次入住。由於搬到上一層需要額外的能量，一旦樓層住滿，外界再想讓住户搬走是很困難的。這對於特殊樓層的住户尤其如此，樓層間距太大，再往上搬家實在太累了，除非這些住户受到了非常大的激勵。因此，特殊樓層滿員後的入住狀態是很穩定的，這時該單元樓對應的總入住人數就是幻數。

如果質子數和中子數都是幻數，這樣的原子核就被稱為“雙幻核”，擁有最為穩定的狀態。目前，已被發現的傳統雙幻核有：氧-16（Z=8, N=8）、鈣-40（Z=20, N=20）、鉛-208（Z=82, N=126）等。

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幻數並非一成不變

隨着研究的深入，人們發現，幻數並不是一成不變的：傳統幻數可能會消失，新幻數也會出現。為什麼會出現這種情況呢？

原來，原子核要保持穩定，兩棟“單元樓”各自入住的中子和質子需要相互制約。一般情況下，在輕核中，質子數和中子數要相當；在中重核中，質子數要適當少於中子數。當單方面入住的質子數或中子數越來越多時（分別對應豐質子核和豐中子核），原先的平衡會被打破，原子核變得不穩定起來。這時，“單元樓”的結構可能也會發生相應變化：相鄰樓層可能會交換入住人數，樓層間距也可能發生改變。這就導致幻數也會發生變化。

科學家們發現，在某些豐中子核中，傳統中子幻數8、20、28消失了，如鈹-12、鎂-32、硅-42等。同時，新中子幻數14、16在氧元素中出現，新中子幻數32、34在鈣元素中出現等。

圖：部分傳統雙幻核（黑色標註）和擁有新幻數的雙幻核（綠色標註）丨圖：邢元明

上圖展示了部分傳統的雙幻核和擁有新幻數的雙幻核。可見，實驗上發現的大部分新幻數，例如14、16、32、34等幾乎都是新中子幻數，新質子幻數則非常罕見。此前，在雙幻核硅-34中發現了新質子幻數14。

硅-22也是一個新質子幻數14的候選者。已有研究證實，在硅-22（Z=14，N=8）的鏡像核——擁有傳統質子幻數8的氧-22（Z=8，N=14）中，中子數14具有“幻數”特徵，因此氧-22是一個雙幻核。由於鏡像核之間的對稱性，在硅-22中，質子數14理論上也應該是一個新“幻數”，即硅-22也應該是一個雙幻核!

然而，要在實驗上確認硅-22是否是雙幻核並不容易。硅-22是極端豐質子的原子核，質子數比中子數足足多了6個，在實驗室中產生難度很大。而且，硅-22已經到達了遠離穩定線的質子滴線附近，有可能會自發放出兩個質子，它自身的壽命也非常短暫，半衰期只有幾十毫秒，給實驗測量帶來了更大的困難。

儘管困難重重，人們還是要問，像硅-22這樣極端豐質子的原子核，究竟還是不是一個相對“穩定的”雙幻核呢？研究這一問題，對於深入理解極端條件下原子核的性質具有重要意義。為此，核物理學家們已至少探索了40年，一直未有明確的答案。

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質量測量揭示質子新幻數出現

近期，中國科學院近代物理研究所質量測量團隊首次精確測量了硅-22的質量，揭示了在硅-22中質子數Z=14是一個新幻數。原子核世界中的雙幻核，再添一位新成員！

圖：相關成果於7月2日發表在《物理評論快報》上

依託蘭州重離子加速器冷卻儲存環，研究團隊使用改進後的“磁剛度識別等時性質譜術”，成功探測到了17個硅-22原子核，並首次給出了硅-22的質量，此外，團隊也將之前實驗測量到的硅-23原子核的質量精度提高了近7倍。

利用新的質量數據，團隊通過分析相鄰原子核間的質量差異，提取出硅-22的質子對能，並與其鏡像核（氧-22）的中子對能等進行了系統對比，最終揭示出質子新幻數14在硅-22中的出現。該結果得到了當前先進的核理論模型伽莫夫（Gamow）殼模型計算的支持。

新的質量表明，硅-22是一個弱束縛滴線核，不存在雙質子直接放射性，結束了長期以來的相關爭議，也再一次顯現出擁有雙幻數加持下的原子核所具有的額外穩定性！

雖然硅-22具有和氧-22相似的雙幻特性，但其結構與氧-22也存在輕微的對稱性破缺，具有更加延展的空間物質分佈，這展現出了自然界中鏡像原子核之間相似而又不完全相同的奇妙圖景。

圖：硅-22及其鏡像核氧-22結構示意圖丨圖源：邢元明李坤昊

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展望

硅-22獨特的核結構性質將進一步深化我們對於滴線附近奇特核結構性質的認識，對理解原子核中核子之間相互作用、探索極端條件下原子核的存在邊界具有重要意義。

隨着位於廣東省惠州市的大科學裝置——強流重離子加速器裝置（HIAF）的即將建成，人類可以發現和研究越來越多類似硅-22的奇特原子核。在原子核微觀世界的深處，還有更多奇妙的自然規律等待着人們去探索。未來，也許還有更多的魔法數字會被一一揭示。你也可以試着猜猜看，下一個神奇的幻數會是多少呢？

近代物理所邢元明副研究員和博土研究生羅胤芳是論文的共同第一作者，近代物理所張玉虎研究員、李健國副研究員和意大利國家核物理研究院(INFN)G.deAngelis教授為通訊作者。該研究得到了科技部重點研發計劃、中國科學院戰略性先導科技專項(B類)、中國科學院青年創新促進會、國家自然科學基金委、甘肅省自然科學基金委等項目的支持。

論文鏈接

https://doi.org/10.1103/ffwt-n7yc

本文經授權轉載自微信公眾號“中國科學院近代物理研究所”，編輯：劉芳；審核：王猛、徐新星。

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