Первое обнаружение кислорода-28 и стандартная оболочечная модель структуры ядра   

Японские исследователи впервые обнаружили кислород-28 ( ^{²⁸O ), самый тяжелый редкий изотоп кислорода. Неожиданно выяснилось, что он недолговечен и нестабилен, несмотря на соответствие критерию «магического» числа} ядерной стабильности.

Кислород имеет множество изотопов; все они содержат 8 протонов (Z) в своих ядрах, но различаются по числу нейтронов (N). Стабильными изотопами являются ^16O , ^17O и ^18O , которые содержат 8, 9 и 10 нейтронов в своих ядрах соответственно. Из трех стабильных изотопов ^16O является наиболее распространенным, составляя около 99.74% всего кислорода, встречающегося в природе.

Недавно обнаруженный изотоп ^28O имеет 8 протонов (Z=8) и 20 нейтронов (N=20). Ожидалось, что он будет стабильным, поскольку удовлетворяет требованию «магического» числа как по протонам, так и по нейтронам (двойное магическое число), но оказалось, что он недолговечен и быстро распадается.

Что делает ядро ​​атома стабильным? Как положительно заряженные протоны и нейтроны удерживаются вместе в ядре атома?  

Согласно стандартной оболочечной модели ядерной структуры, считается, что оболочки занимают протоны и нейтроны. Существует предел оптимального числа нуклонов (протонов или нуклонов), которые могут поместиться в данной «оболочке». Ядра компактны и более стабильны, когда «оболочки» полностью заполнены «определенным числом» протонов или нейтронов. Эти «определенные числа» называются «магическими» числами.

В настоящее время 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126 обычно считаются «магическими» числами. 

Когда число протонов (Z) и число нейтронов (N) в ядре равны «магическим» числам, это считается случаем «двойной» магии, связанной со стабильной ядерной структурой. Например, ^16O , наиболее стабильный и наиболее распространенный изотоп кислорода, имеет Z=8 и N=8, которые являются «магическими» числами и представляют собой случай двойной магии. Аналогично, недавно обнаруженный изотоп ^28O имеет Z=8 и N=20, которые являются магическими числами. Следовательно, ожидалось, что кислород-28 будет стабильным, но в эксперименте он оказался нестабильным и недолговечным (хотя это экспериментальное открытие еще предстоит подтвердить в повторных экспериментах в других условиях).

Ранее предполагалось, что 32 является новым магическим числом нейтронов, но не было обнаружено, что оно является магическим числом в изотопах калия. 

Стандартная оболочечная модель ядерной структуры, существующая теория, объясняющая структуру атомных ядер, представляется недостаточной, по крайней мере, в случае изотопа ^28O.

Нуклоны (протоны и нейтроны) удерживаются вместе в ядре сильными ядерными силами. Понимание ядерной стабильности и того, как создаются элементы, зависит от лучшего понимания этой фундаментальной силы.  

Ссылки:  

1. Токийский технологический институт. Новости исследований – Исследование легких ядер, богатых нейтронами: первое наблюдение кислорода-28. Опубликовано: 31 августа 2023 г. Доступно по адресу: https://www.titech.ac.jp/english/news/2023/067383  

2. Кондо, Ю., Ачури, Н.Л., Фалу, ХА и другие Первое наблюдение за ²⁸O. Природа 620. С. 965–970 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06352-6 

3. Министерство энергетики США, 2021 г. Новости – Магия для нейтрона номер 32 ушла. Доступно по адресу: https://www.energy.gov/science/np/articles/magic-gone-neutron-number-32  

4. Кошорус, А., Ян, XF, Цзян, В.Г. и другие Зарядовые радиусы экзотических изотопов калия бросают вызов ядерной теории и магическому характеру N = 32. Туземный Phys. 17. С. 439–443 (2021). https://doi.org/10.1038/s41567-020-01136-5