你能把多少中子塞入原子? 不仅仅是物理学家的想法

你能把多少中子塞入原子? 不仅仅是物理学家的想法

这种超导回旋加速器在日本Wako的RIKEN放射性同位素光束设施中产生异常核的光束,在那里发现了新的钙核。

RIKEN
你能把多少中子塞入原子? 不仅仅是物理学家的想法

日本的物理学家已经发现了有史以来最重的钙核 - 每个核含有制造该元素所需的20个质子,但是有大量的40个中子。 这是中子的两倍,也是钙最常见的形式,比之前的记录多出几倍。 这一发现表明,有可能将更多的中子塞入核中,这可能比以前认为的更多,这可能对中子星理论产生影响。

“这确实是一个重要而有趣的发现,”雅典俄亥俄大学理论核物理学家丹尼尔菲利普斯说。 他说,物理学家的核结构模型被调整到具有大致相等数量的质子和中子的更常见的原子核,科学家们需要知道这些理论错误的程度,因为他们将这些理论外推到具有更多不对称质子和中子的原子核。

原子核由核强力结合在一起的质子和中子组成。 质子的数量决定了原子作为化学元素的身份; 中子的数量决定了该元素的同位素。 教科书经常描绘核心,因为许多质子和中子像胶滴一样粘在一起,但真正的原子核要复杂得多。 虽然它是由离散的颗粒组成,但平均核更像是一个带有表面张力的液滴。 然而,与此同时,原子核具有抽象的量子能量壳,并且当它们具有填充这些壳的神奇数量的质子或中子时可以更紧密地结合 - 就像在更大规模上原子在填充壳时更加惰性一样电子 此外,质子和中子可以形成短暂的对和三重奏,这也改变了核的性质和稳定性。

理论家使用不同的模型来解释这些竞争行为。 对于相对较轻的原子核,ab initio模型可以处理单个质子和中子的相互作用。 但是这些模型因较重的原子核而陷入困境,因此理论家们采用更多基于“密度泛函”的近似模型,将质子和中子的分布视为连续变量。 数十个这样的模型可能会对多少中子粘附在原子核上的基本事物产生不同意见,这是物理学家经常在网格图上可视化的极限。 在图表上,显示了垂直轴上的质子数和水平轴上的中子数,已知和预测的核形成了一个酸洗形状的条带,其下边界标志着“中子滴线”:中子的最大数量核可以容纳。 物理学家并不确切知道滴水线的位置。

现在,来自日本位于东兰辛的Wako和密歇根州立大学(MSU)的日本RIKEN实验室的一个由30人组成的团队产生了一批新的富含中子的原子核,这表明 ,他们上周报告说在物理评论快报 密歇根大学的实验者亚历山德拉•盖德(Alexandra Gade)表示,该团队在钙附近寻找,因为其神奇的质子数量已经使它具有更强的结合力。

利用RIKEN的放射性同位素光束工厂,研究人员通过将一束光射入铍靶,撕开了重锌核。 然后,他们使用极其精确的磁力分离器对残骸中的大量原子核进行分类。 总之,该团队生产了8个新的富含中子的原子核,包括钙-59和钙-60,分别有39和40个中子。 为了产生两个钙-60核,研究人员必须向目标射出200万亿个锌核。

新的结果似乎使ab initio模型绊倒,这通常预测不应该存在钙-60。 事实上,这些数据表明有可能制造出含有更多中子的钙核,Gade说。 在研究人员比较的35个模型中,最适合所有新数据的两个模型预测钙同位素存在钙-70,其中有50个中子。

Gade警告不要对滴水线进行任何全面的概括。 然而,菲利普斯说,他希望结果会更好地限制滴灌线,因此实验者不必简单地感受到它。 “我当然希望这不是逐个元素的问题,”他说。 除了其基本重要性之外,滴灌线的位置可能对中子星的天体物理学产生影响。 例如,这些恒星残骸的地壳中的过程被认为会在滴灌线外产生富含中子的原子核,Gade说,因此难以置信的密集恒星的精确性质和结构可能取决于滴水线的细节。

实验者希望找到更重的钙同位素,并制造足够的核以研究其性质。 2022年MSU完成了新的射线 (FRIB),这将比RIKEN的机器更强大,这样的研究可能变得更加容易。 “我们查看了计算结果,并且[在FRIB]我们应该能够看到钙-68和钙-70,”Gade说,“如果它们存在的话。”