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原子核“神奇數(shù)字”打破了鎳78的“雙重魔力”！

來自日本物理研究所西西納加速器研究中心的科學(xué)家及其合作者利用該中心的重離子加速器RI束流證明，鎳-78是一種富含中子的“雙重魔力”同位素，含有28個(gè)質(zhì)子和50個(gè)中子，盡管質(zhì)子和中子的數(shù)量存在很大的不平衡，但它仍然保持著一個(gè)相對穩(wěn)定的球形。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)令人驚訝的現(xiàn)象——實(shí)驗(yàn)觀察表明，鎳-78可能是最輕的原子核，有50個(gè)中子，具有神奇的性質(zhì)。較輕的同位素（即中子數(shù)相同但質(zhì)子數(shù)不同的原子核）將不可避免地發(fā)生形變，盡管中子數(shù)具有魔力。
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掌握富含中子原子核中神奇數(shù)字的有效性，對于理解我們今天所看到的宇宙為什么會(huì)有如此多的原子核至關(guān)重要。比鐵重的元素不是在正常恒星燃燒過程中合成的，而是主要通過s過程和r過程產(chǎn)生，這兩個(gè)過程涉及到原子核捕獲額外的中子。中子被迅速吸收的r過程特別重要，因?yàn)樗?fù)責(zé)產(chǎn)生某些富含中子的原子核。在這個(gè)過程中，原子核積累中子，直到它們達(dá)到一種它們不能再接受中子的狀態(tài)（這種狀態(tài)被稱為等待點(diǎn)）然后經(jīng)歷一個(gè)被稱為衰變的過程。在這個(gè)過程中，它們失去一個(gè)中子，但獲得一個(gè)質(zhì)子，使它們開始接受新的中子。
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r過程占比鐵重原子核產(chǎn)生量的一半左右，只能發(fā)生在異常富含中子的環(huán)境中，比如超新星爆炸或中子星合并，就像2017年觀察到的那樣。然而，這些“等待點(diǎn)”的確切位置并不為人所知。使這一過程更加復(fù)雜的是，質(zhì)子或中子的神奇數(shù)量（相當(dāng)于化學(xué)中封閉電子殼層的概念）使原子核更難以捕獲更多的中子。一個(gè)眾所周知的神奇數(shù)字是50個(gè)中子，但目前還不清楚這個(gè)數(shù)字是否被保存下來，用于極其富含中子的原子核。為了找到答案，研究小組決定用鎳-78進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。鎳-78是一種具有雙重魔力的同位素，由于日本RI束流工廠等強(qiáng)大的加速器，直到現(xiàn)在才可以用于實(shí)驗(yàn)。
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為了進(jìn)行這項(xiàng)2019年5月1日發(fā)表在《自然》上的實(shí)驗(yàn)，研究人員綜合了法國CEA操作的MINOS探測器和理研所操作的DALI2探測器觀測結(jié)果，這兩個(gè)探測器都位于RIBF復(fù)合體內(nèi)。產(chǎn)生了一束鈾238，并用它轟擊鈹靶，迫使鈾裂變成像銅79和鋅80這樣的同位素，這兩種同位素都有50個(gè)中子。然后這兩束光被發(fā)射到氫靶上，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生鎳-78，這是研究的重點(diǎn)。利用伽馬射線探測器，該小組證明，鎳-78相對穩(wěn)定，正如計(jì)算預(yù)測的那樣，保持一個(gè)球形而不是變形的形狀。東京大學(xué)的谷內(nèi)亮(Ryo Taniuchi)和以加速器為基礎(chǔ)的日本理研所Nishina科學(xué)中心表示：
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我們很高興能夠通過實(shí)驗(yàn)證明，鎳-78確實(shí)保持了計(jì)算預(yù)測的球形形狀。然而，我們驚訝地發(fā)現(xiàn)，原子核也有一個(gè)相互競爭的形狀，它不是球形，任何比我們使用更輕的等色調(diào)都會(huì)受到這種變形的影響，無法保持其神奇的性質(zhì)。Nishina中心的ter Doornenbal說：這是一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樗o了我們新見解，關(guān)于魔法數(shù)字如何在整個(gè)核環(huán)境中出現(xiàn)和消失，以及如何影響核合成過程，從而導(dǎo)致我們今天在宇宙中看到的大量同位素。并打算用更輕的等重50個(gè)中子做進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)來證明這一發(fā)現(xiàn)。
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