First Detection of Oxygen 28 & Standard shell-model πυρηνικής δομής   

Oxygen-28 (²⁸O), το βαρύτερο σπάνιο ισότοπο οξυγόνου ανιχνεύθηκε για πρώτη φορά από Ιάπωνες ερευνητές. Απροσδόκητα διαπιστώθηκε ότι ήταν βραχύβιο και ασταθές παρά το γεγονός ότι πληρούσε τα κριτήρια του «μαγικού» αριθμού του πυρηνικών σταθερότητα.  

Οξυγόνο έχει πολλά ισότοπα. Όλα έχουν 8 πρωτόνια (Ζ) στους πυρήνες τους αλλά διαφέρουν ως προς τον αριθμό των νετρονίων (Ν). Τα σταθερά ισότοπα είναι ¹⁶O, ¹⁷O και ¹⁸O που έχουν 8, 9 και 10 νετρόνια στους πυρήνες τους αντίστοιχα. Από τα τρία σταθερά ισότοπα, ¹⁶Το Ο είναι πιο άφθονο και αποτελεί περίπου το 99.74% του συνόλου του οξυγόνου που βρίσκεται στη φύση. 

Εντοπίστηκε πρόσφατα ²⁸Το ισότοπο O έχει 8 πρωτόνια (Z=8) και 20 νετρόνια (N=20). Αναμενόταν να είναι σταθερό επειδή πληροί την απαίτηση του «μαγικού» αριθμού όσον αφορά τόσο τα πρωτόνια όσο και τα νετρόνια (διπλή μαγεία), αλλά διαπιστώθηκε ότι ήταν βραχύβια και αποσυντέθηκε γρήγορα.  

Τι κάνει τον πυρήνα ενός ατόμου σταθερό; Πώς τα θετικά φορτισμένα πρωτόνια και τα νετρόνια συγκρατούνται μαζί στον πυρήνα ενός ατόμου;  

Σύμφωνα με το πρότυπο κέλυφος του πυρηνικών Η δομή, τα πρωτόνια και τα νετρόνια πιστεύεται ότι καταλαμβάνουν κελύφη. Υπάρχει ένα όριο στον βέλτιστο αριθμό νουκλεονίων (πρωτόνια ή νουκλεόνια) που μπορούν να φιλοξενηθούν σε ένα δεδομένο «κέλυφος». Οι πυρήνες είναι συμπαγείς και πιο σταθεροί όταν τα «κελύφη» είναι πλήρως γεμάτα με «συγκεκριμένους αριθμούς» πρωτονίων ή νετρονίων. Αυτοί οι «συγκεκριμένοι αριθμοί» ονομάζονται «μαγικοί» αριθμοί.  

Επί του παρόντος, τα 2, 8, 20, 28, 50, 82 και 126 θεωρούνται γενικά «μαγικοί» αριθμοί. 

Όταν τόσο ο αριθμός των πρωτονίων (Ζ) όσο και ο αριθμός των νετρονίων (Ν) σε έναν πυρήνα είναι ίσοι με «μαγικούς» αριθμούς, θεωρείται περίπτωση «διπλής» μαγείας που σχετίζεται με σταθερό πυρηνικών δομή. Για παράδειγμα, ¹⁶O, το πιο σταθερό και το πιο άφθονο ισότοπο οξυγόνου έχει Z=8 και N=8 που είναι «μαγικοί» αριθμοί και περίπτωση διπλής μαγείας. Ομοίως, το ισότοπο που εντοπίστηκε πρόσφατα ²⁸Το Ο έχει Ζ=8 και Ν=20 που είναι μαγικοί αριθμοί. Ως εκ τούτου, το Oxygen-28 αναμενόταν να είναι σταθερό, αλλά βρέθηκε ότι είναι ασταθές και βραχύβιο σε ένα πείραμα (αν και αυτό το πειραματικό εύρημα δεν έχει ακόμη επικυρωθεί σε επαναλαμβανόμενα πειράματα σε άλλες ρυθμίσεις).  

Νωρίτερα, το 32 είχε προταθεί ως νέος μαγικός αριθμός νετρονίων, αλλά δεν βρέθηκε ότι είναι μαγικός αριθμός στα ισότοπα του καλίου. 

Τυπικό κέλυφος-μοντέλο του πυρηνικών δομή, η τρέχουσα θεωρία που εξηγεί πώς είναι δομημένοι οι ατομικοί πυρήνες φαίνεται ανεπαρκής τουλάχιστον στην περίπτωση ²⁸O ισότοπο.  

Τα νουκλεόνια (πρωτόνια και νετρόνια) συγκρατούνται μαζί στον πυρήνα με ισχυρή πυρηνική δύναμη. Η κατανόηση της πυρηνικής σταθερότητας και του τρόπου με τον οποίο σφυρηλατούνται τα στοιχεία έγκειται στην καλύτερη κατανόηση αυτής της θεμελιώδους δύναμης.  

***

αναφορές:  

1. Ινστιτούτο Τεχνολογίας του Τόκιο. Ερευνητικά νέα – Εξερευνώντας ελαφρούς πυρήνες πλούσιους σε νετρόνια: Πρώτη παρατήρηση οξυγόνου-28. Δημοσίευση: 31 Αυγούστου 2023. Διαθέσιμο στο https://www.titech.ac.jp/english/news/2023/067383  

2. Kondo, Y., Achouri, NL, Falou, HA et αϊ. Πρώτη παρατήρηση του ²⁸O. Φύση 620, 965-970 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06352-6 

3. Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ 2021. Ειδήσεις – The Magic Is Gone for Neutron Number 32. Διαθέσιμο στο https://www.energy.gov/science/np/articles/magic-gone-neutron-number-32  

4. Koszorús, Á., Yang, XF, Jiang, WG et αϊ. Οι ακτίνες φορτίου των εξωτικών ισοτόπων καλίου αμφισβητούν την πυρηνική θεωρία και τον μαγικό χαρακτήρα του N = 32. Νατ. Φυσ. 17, 439-443 (2021). https://doi.org/10.1038/s41567-020-01136-5 

***