幻数的一个重要性质是,当一个核子的质子数或中子数等于一个幻数时,它的最外层的核子就会填满一个完整的能级。这就像电子在原子中的情况一样,当电子填满一个壳层时,原子就会变得更稳定。这种情况下,我们说这个核子是闭壳层的。闭壳层的核子比其他核子更难被分裂或衰变,因为它们的结合能更高,需要更多的能量才能打破它们。
幻数的另一个重要性质是,当一个核子的质子数和中子数都等于一个幻数时,它就会变得更加稳定,甚至可以超越其他核子的稳定性。这种情况下,我们说这个核子是双幻数的。双幻数的核子是一些最稳定的核子,它们的寿命可以达到几十亿年,甚至永远不衰变。例如,铅-208(82个质子和126个中子)就是一个双幻数的核子,它是所有核子中最重的稳定核子。
新发现的同位素
幻数的理论是基于一个简单的假设,即核子在原子核中的运动可以用一个球形的势阱来描述。这个势阱的形状和大小取决于核子的总数。然而,这个假设并不总是成立的。有些核子的形状并不是球形的,而是椭球形的,或者有些其他的变形。这些变形会影响核子的能级和稳定性,导致一些新的幻数的出现,或者一些旧的幻数的消失。这些现象在核子的两个极端,即富中子和富质子的情况下,尤为明显。
最近,在中国科学院近代物理研究所的强流重离子加速器上,成功地合成了两种新的富质子核子,即锇-160(76个质子和84个中子)和钨-156(74个质子和82个中子)。这两种核子都是通过将镉-106和镍-58的原子核碰撞在一起,然后剥离掉四个中子的方式产生的。这个过程非常复杂,因为它需要精确地控制碰撞的能量和角度,以及有效地分辨和检测产生的核子。
锇-160和钨-156的发现是非常重要的,因为它们揭示了一个有趣的现象,即N=82的幻数在富质子核子中变得更强。N=82是一个非常重要的幻数,它对应于中子的第六个能级的填满。在中子数接近或等于82的核子中,这个能级会形成一个很大的能隙,使得核子的结合能显著增加,从而增强了核子的稳定性。然而,当我们继续增加质子数,减少中子数的时候,N=82的幻数会不会保持呢?根据简单的球形势阱模型,我们预期这个幻数会逐渐减弱,甚至消失,因为核子的形状会发生变化,导致能级的重新排列。
然而,物理学家发现的结果却与这个预期相反。他们测量了锇-160的α衰变,即它会放出一个氦-4的核子,变成钨-156。
他们发现,锇-160的α衰变能量为7080 (26) keV,而它的半衰期为201+58 −37 μs。这两个数据都比预期的要大,说明锇-160比预期的要稳定。同样,他们发现钨-156是一个β+衰变,即它会放出一个正电子,变成钽-156。他们发现,钨-156的半衰期为291+86 −61 ms,也比预期的要大,说明钨-156也比预期的要稳定。
为了解释这些结果,他们引入了一个参数,叫做α衰变的约化宽度(δ2)。这个参数可以衡量α衰变的概率,它与核子的结合能和形状有关。他们发现,对于N=84的同中子数核子,从锡(Z=50)到锇(Z=76),这个参数随着原子序数的增加而减小。这意味着,随着质子数的增加,N=82的能隙变得更大,N=82的幻数变得更强。这与理论模型的预测相一致,这些模型考虑了核子的变形和相互作用的细节。这些模型也预测,如果我们继续增加质子数,直到Z=82,也就是铅,我们可能会发现一个新的双幻数核子,即铅-164(82个质子和82个中子)。这个核子的存在还没有被实验证实,但它可能是一个非常有趣的研究对象。