美国橡树岭(Oak Ridge National Laboratory)的物理学家用超级计算机确认了镍78是个双幻原子核(double magic nuclei)。

所有的原子核都是由质子与中子所构成,而质子与中子又统称为核子(nucleon)。当质子与中子结合形成原子核的时候,不论质子或中子都会根据壳层模型(shell model)来排列。原子核的壳层模型主要是根据包立的不兼容原理,然后一层一层的排列上去。当一个壳层被填满的时候,原子核会特别稳定,这时的质子或中子数被称为幻数(magic number)。根据实验结果,幻数依序为2, 8, 20, 28, 50, 82, 126。当质子或中子的数目为幻数的时候,再加入一个质子或中子所需的结合能便会显著提高,可以看成是比较不容易打破这个稳定的状态。

日本的RIBF/Riken发现34核子(nucleon)之幻数(magic number) (图片来源:wikimedia commons)

由于质子与中子的堆栈相互独立,因此质子与中子可以有其中一个数字为幻数。如果质子跟中子同时都是幻数,那这个原子核就称为是双幻核(double magic nuclei),例如氦4,氧8,钙40,钙48,镍48,镍78,还有铅208。

在这些双幻核中,镍78是由28个质子与50个中子所构成。一般而言,在原子核中,中子的数目会与质子的数目相当,或是略多一点。但是镍78的中子数目几乎是质子数目的两倍,对物理学家来说,这是相当罕见的事情,因为虽然中子的数目通常大于质子,而且可以存在多个同位素(质子数相同,但中子数不同),但是中子数目并不能无限制的一直增加。一旦超过极限,整个原子核就会崩溃。所以物理学家想知道,以镍78为起点,到底还可以再加入几个中子,而不会让整个原子核崩溃?

橡树岭国家实验室的Gaute Hagen与另外两位物理学家利用实验室里的Titan超级计算机来计算镍78的稳定性。他们发现镍78的确就像双幻核一样稳定,而且更令人惊讶的是,根据计算结果,即便再多一个或两个中子,整个原子核似乎也还是处于稳定状态而不会崩溃。这显示比镍80更重的镍同位素或许也有可能存在。

橡树岭国家实验室的Gaute Hagen(左)、Thomas Papenbrock(中)和Gustav Jansen(右) (Credit: Oak Ridge National Laboratory, U.S. Dept. of Energy; photographer Jason Richards.)

这是第一次理论核物理学家可以用电脑直接计算镍78与其外围原子核的稳定性。而且未来将可能可以利用类似的方法来对超重稀有同位素进行计算。

 

原始論文

Structure of Ni78 from First-Principles Computations

G. Hagen, G. R. Jansen, and T. Papenbrock

Phys. Rev. Lett. 117, 172501