质子幻数新发现丨原子核也有神奇的“魔法数字”！_风闻

原子核中质子数或中子数达到某些特定值时，原子核的结构特别稳定，这个值被称为幻数。随着研究的深入，物理学家发现幻数并不是一成不变的：传统幻数可能会消失，新幻数也会出现。其中，新质子幻数非常罕见。近日，来中国领导的团队发现了一个新的质子幻数，原子核世界中的“双幻核”，再添一位新成员！

撰文 | 邢元明、罗胤芳

你是否拥有自己的幸运数字？无论是买彩票，还是选手机尾号，都会更青睐这样的数字，相信它们会给自己带来好运？如果任何和自己有关的编号刚好就是这个数字，那仿佛是命中注定，如同被赐予了神奇的魔力。

以上可能只是部分人的主观感受，但你知道吗，在被客观的物理定律所支配的自然界中，也确实存在一些特殊的好似有某种“魔力”的数字——“magic number”（“魔法数字”）。这些数字所蕴藏的奥秘，至今仍是吸引科学家们不断探索的核物理前沿热点。

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大自然的偏爱

各种各样的原子构成了我们所处的物质世界。原子由位于原子中心的原子核和核外电子组成，原子核则由一定数目的核子（质子和中子）组成。

我们知道，原子的化学性质，主要取决于原子序数（即核电荷数或电子数）。当原子的电子数等于一些特殊的数字时，比如2、10、18、36、54、86时，原子变得极为稳定。这些特殊数字刚好就是电子填满原子各个壳层时的数目。

在比原子还要小的原子核的微观世界里，也有一组被大自然偏爱的“幸运数字”——比如，2、8、20、28、50、82、126。当构成原子核的质子数（用大写字母Z表示）或中子数（用大写字母N表示）正好是这些数字时，原子核就好像被施了“魔法”一样，变得格外结实！这些数字也因此被核物理学家称为幻数（Magic Number）。

幻数的发现始于20世纪上半叶，人们开始注意到某些元素（拥有某些特定数目质子的原子核）在自然界中含量更多，它们的性质也更加稳定。比如氧（Z=8）、钙（Z=20）、镍（Z=28）、锡（Z=50）、铅（Z=82）等，就拥有相对较多的稳定同位素(Z相同，但N不同)。具体如锡元素，它拥有多达10种稳定同位素，但它的邻居镉（Z=48）只有6种，而铟（Z=49）则只有可怜的1种。这表明拥有特定质子数目的原子核很特别，可以结合多种数目的中子形成稳定的状态。

图 在稳定同中子素的数量统计中，幻数位置的数量明显突出。图源| 《原子核物理》 卢希庭主编

同样，当原子核的中子数目为这些幸运数字时，也表现出了额外的稳定性。为什么拥有幻数的原子核会相对比较稳定呢？科学家相信，在“大自然的偏爱”背后，一定还隐藏着原子核内部深层次的秩序。

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科学家如何解释幻数呢？

20世纪40-50年代，物理学家梅耶（M. G. Mayer）和简森（J. H. D. Jensen）等分别独立提出了原子核的壳模型（Shell Model），成功解释了幻数的形成机制。因为这项开创性的工作，他们获得了1963年的诺贝尔物理学奖。

图：物理学家梅耶和简森丨图源：United States Department of Energy, nobelpress.org

壳模型指出，原子核存在类似原子的壳层结构，不仅每一壳层可以填充的核子数在变化，相邻壳层的高度（能级差）也不相同。一旦某一个特殊壳层填满核子后，原子核会格外稳定，再想从中分离出一个或多个核子就会十分困难。

我们可以尝试通过比喻来理解原子核壳模型和幻数。想象原子核是由结构相似的两栋单元楼组成的“公寓”，两栋楼分别住着中子和质子，每层楼可容纳的核子数不同。楼内有一些“特殊楼层”，层高比一般楼层高出许多。公寓楼建好后，住户们（质子和中子）开始陆续搬进来。因为没有电梯，为了节省能量，大家都从低楼层依次入住。由于搬到上一层需要额外的能量，一旦楼层住满，外界再想让住户搬走是很困难的。这对于特殊楼层的住户尤其如此，楼层间距太大，再往上搬家实在太累了，除非这些住户受到了非常大的激励。因此，特殊楼层满员后的入住状态是很稳定的，这时该单元楼对应的总入住人数就是幻数。

如果质子数和中子数都是幻数，这样的原子核就被称为“双幻核”，拥有最为稳定的状态。目前，已被发现的传统双幻核有：氧-16（Z=8, N=8）、钙-40（Z=20, N=20）、铅-208（Z=82, N=126）等。

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幻数并非一成不变

随着研究的深入，人们发现，幻数并不是一成不变的：传统幻数可能会消失，新幻数也会出现。为什么会出现这种情况呢？

原来，原子核要保持稳定，两栋“单元楼”各自入住的中子和质子需要相互制约。一般情况下，在轻核中，质子数和中子数要相当；在中重核中，质子数要适当少于中子数。当单方面入住的质子数或中子数越来越多时（分别对应丰质子核和丰中子核），原先的平衡会被打破，原子核变得不稳定起来。这时，“单元楼”的结构可能也会发生相应变化：相邻楼层可能会交换入住人数，楼层间距也可能发生改变。这就导致幻数也会发生变化。

科学家们发现，在某些丰中子核中，传统中子幻数8、20、28消失了，如铍-12、镁-32、硅-42等。同时，新中子幻数14、16在氧元素中出现，新中子幻数32、34在钙元素中出现等。

图：部分传统双幻核（黑色标注）和拥有新幻数的双幻核（绿色标注）丨图：邢元明

上图展示了部分传统的双幻核和拥有新幻数的双幻核。可见，实验上发现的大部分新幻数，例如14、16、32、34等几乎都是新中子幻数，新质子幻数则非常罕见。此前，在双幻核硅-34中发现了新质子幻数14。

硅-22也是一个新质子幻数14的候选者。已有研究证实，在硅-22（Z=14，N=8）的镜像核——拥有传统质子幻数8的氧-22（Z=8，N=14）中，中子数14具有“幻数”特征，因此氧-22是一个双幻核。由于镜像核之间的对称性，在硅-22中，质子数14理论上也应该是一个新“幻数”，即硅-22也应该是一个双幻核!

然而，要在实验上确认硅-22是否是双幻核并不容易。硅-22是极端丰质子的原子核，质子数比中子数足足多了6个，在实验室中产生难度很大。而且，硅-22已经到达了远离稳定线的质子滴线附近，有可能会自发放出两个质子，它自身的寿命也非常短暂，半衰期只有几十毫秒，给实验测量带来了更大的困难。

尽管困难重重，人们还是要问，像硅-22这样极端丰质子的原子核，究竟还是不是一个相对“稳定的”双幻核呢？研究这一问题，对于深入理解极端条件下原子核的性质具有重要意义。为此，核物理学家们已至少探索了40年，一直未有明确的答案。

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质量测量揭示质子新幻数出现

近期，中国科学院近代物理研究所质量测量团队首次精确测量了硅-22的质量，揭示了在硅-22中质子数Z=14是一个新幻数。原子核世界中的双幻核，再添一位新成员！

图：相关成果于7月2日发表在《物理评论快报》上

依托兰州重离子加速器冷却储存环，研究团队使用改进后的“磁刚度识别等时性质谱术”，成功探测到了17个硅-22原子核，并首次给出了硅-22的质量，此外，团队也将之前实验测量到的硅-23原子核的质量精度提高了近7倍。

利用新的质量数据，团队通过分析相邻原子核间的质量差异，提取出硅-22的质子对能，并与其镜像核（氧-22）的中子对能等进行了系统对比，最终揭示出质子新幻数14在硅-22中的出现。该结果得到了当前先进的核理论模型伽莫夫（Gamow）壳模型计算的支持。

新的质量表明，硅-22是一个弱束缚滴线核，不存在双质子直接放射性，结束了长期以来的相关争议，也再一次显现出拥有双幻数加持下的原子核所具有的额外稳定性！

虽然硅-22具有和氧-22相似的双幻特性，但其结构与氧-22也存在轻微的对称性破缺，具有更加延展的空间物质分布，这展现出了自然界中镜像原子核之间相似而又不完全相同的奇妙图景。

图：硅-22及其镜像核氧-22结构示意图丨图源：邢元明李坤昊

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展望

硅-22独特的核结构性质将进一步深化我们对于滴线附近奇特核结构性质的认识，对理解原子核中核子之间相互作用、探索极端条件下原子核的存在边界具有重要意义。

随着位于广东省惠州市的大科学装置——强流重离子加速器装置（HIAF）的即将建成，人类可以发现和研究越来越多类似硅-22的奇特原子核。在原子核微观世界的深处，还有更多奇妙的自然规律等待着人们去探索。未来，也许还有更多的魔法数字会被一一揭示。你也可以试着猜猜看，下一个神奇的幻数会是多少呢？

近代物理所邢元明副研究员和博土研究生罗胤芳是论文的共同第一作者，近代物理所张玉虎研究员、李健国副研究员和意大利国家核物理研究院(INFN)G.deAngelis教授为通讯作者。该研究得到了科技部重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项(B类)、中国科学院青年创新促进会、国家自然科学基金委、甘肃省自然科学基金委等项目的支持。

论文链接

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

本文经授权转载自微信公众号“中国科学院近代物理研究所”，编辑：刘芳；审核：王猛、徐新星。

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