在原子中，原子核是由质子和中子构成的。具有相同质子数但不同中子数的原子被称为同位素。通常，只有当质子数和中子数成一定比例时，原子核才稳定。不稳定的原子核，往往有着极不平衡的质子数和中子数。
不稳定的原子核虽然可以在核反应中出现，但它们很快就会衰变，它们通常通过释放一个α粒子（即氦核）或经历所谓的β衰变（即一个中子转变成质子、电子和反电子中微子）产生新的粒子。
最近，一个国际研究团队通过实验检测到了迄今为止最轻的镁同位素——镁-18（¹⁸Mg）。这种同位素是在美国国家超导回旋加速器实验室（NSCL）中被创造出来的，它极不稳定，会在科学家能对其进行直接测量之前就衰变。
这一发现为测试和改进核结构模型提供了新的机会。研究人员将他们的发现发表在了近期的《物理评论快报》上。
新的同位素镁-18。图片来源：S. M. Wang/Fudan University and Facility for Rare Isotope Beams
在地球上，镁的储量丰富，它们是我们饮食和地壳矿物质的重要组成部分。所有镁原子的原子核内都有12个质子，最常见的几种镁同位素分别是含有12、13、14个中子的镁-24（²⁴Mg）、镁-25（²⁵Mg）、镁-26（²⁶Mg），这三种同位素都很稳定，有着不会轻易“瓦解”的原子核。
但是新创造出的¹⁸Mg就非常的不稳定，它们很难存在于在自然界中。科学家通常只能同使用粒子加速器来制造这些奇异的同位素，从而帮助他们推动能够解释所有原子核是如何形成并维持在一起的核结构模型的极限。通过改善这些模型，科学家可以更好地预测在极端的宇宙环境中——那些我们永远无法在地球上直接模拟或测量的环境中，会发生些什么。
一些粒子加速器一直在各方各面协助世界各地的科学家进一步了解宇宙，其中就包括新研究中所使用的NSCL。自1982年以来，NSCL就参与了许多不同的制造新同位素的研究项目，其中包括最新的镁-18的创造。
在新研究之前，镁的最轻版本是含有7个中子的同位素，镁-19（¹⁹Mg）。为了制造更轻的¹⁸Mg，研究人员选择从镁的稳定版本，²⁴Mg开始。
在回旋加速器中，他们首先将一束²⁴Mg原子核加速到光速的一半左右，然后将这束²⁴Mg快速与一个由铍元素制成的金属箔相撞。通过碰撞，加速器内会产生一堆比²⁴Mg更轻的同位素。接着，研究人员会从这些同位素“汤”中，选出一种他们想要镁-20（²⁰Mg）。
²⁰Mg也是一种不稳定的镁同位素，它的原子核中含有12个质子和8个中子，通常会在十分之一秒的时间内就发生衰变。因此，研究人员必须及时让镁-20与另一个铍靶在30米外的位置发生对撞。由于粒子束的速度达到了光速的一半，因此它们可以很快就抵达目标处。
在这次的对撞中，一些²⁰Mg会失去两个中子，产生¹⁸Mg。这种物质的存在时间大约在10的21次方分之一秒左右，这是极其短暂的时间，以至于¹⁸Mg在分解之前，都没有电子遮盖在其周围，它是以裸核的形式存在的。
在如此短的时间内，¹⁸Mg不会离开铍靶。这意味着新的同位素会在靶内衰变，因此科学家并不能直接检测这种同位素，但他们通过一些过程来确定其衰变的迹象。
¹⁸Mg首先从原子核中迅速放射出两个质子，成为氖-16（¹⁶Ne）。然后¹⁶Ne会再放射出两个质子，衰变成氧-14（¹⁴O）。通过分析脱离了靶的质子和氧，研究人员就可以推断出¹⁸Mg性质。他们利用光谱仪从剩余的²⁰Mg核中捕捉¹⁴O，并对放射出的质子进行检测，发现这些质子会以1°到10°之间的角度偏离了粒子束。他们测量了这些质子的能量，通过这些测量，研究人员推断出了¹⁸Mg衰变前的能量。
能够发现一种新的同位素是很令人兴奋的结果。每年，科学家都在已知的同位素清单中添加新的条目。现在，这些同位素的数量已经多达数千种。虽然，新发现的这种极不稳定的同位素并不能直接帮助我们回答宇宙中的元素从何而来的，它们是如何形成的，以及这些过程又是如何发生的等问题。但它们可以帮助科学家更好地理解那些定义了我们存在的原子是如何形成的，并帮助我们完善那些用以解释这些谜团的理论和模型。
#创作团队：
文：小雨
#参考来源：
https://frib.msu.edu/news/2021/magnesium-18.html
https://physics.aps.org/articles/v14/s165
#图片来源：
首图：S. M. Wang/Fudan University
发表于 2021-12-31 14:45
收藏
分享