十多年前，科學家將鎂原子推向了新的極限，將額外的中子幹擾到它們的原子核中 - 並且可能達到 - 這個元素的最大限度。
現在，由能源部勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)的科學家領導的國際團隊已經複製了這種被稱為鎂-40的外來系統，並收集了關於其核結構的新的和令人驚訝的線索。
「鎂-40位於一個十字路口，那裡有很多關於它真實情況的問題，」伯克利實驗室核科學部的科學家，該研究的主要作者希瑟克勞福德說，2月7日在線發表在物理評論快報雜誌。「這是一個非常奇特的物種。」
雖然原子核中質子(具有正電荷)的數量定義了元素的原子序數 - 它位於元素周期表中 - 但中子(沒有電荷)的數量可能不同。在自然界中發現的最常見和最穩定的鎂原子類型有12個質子，12個中子和12個電子(帶負電荷)。
具有不同中子計數的相同元素的原子被稱為同位素。研究人員研究的鎂-40(Mg-40)同位素有28個中子，這可能是鎂原子的最大值。對於給定的元素，核中的最大中子數被稱為「中子滴線」 - 如果你試圖在已經處於能量時添加另一個中子，那麼額外的中子將立即從核中「滴」出來。 。
「這是非常中子豐富的，」克勞福德說。「目前尚不清楚Mg-40是否在滴水線上，但它肯定非常接近。這是目前在滴灌線附近實驗性地達到的最重的同位素之一。「
滴線附近的原子核的形狀和結構對於核物理學家來說特別有意義，因為它可以教會他們關於原子核在極端存在時的行為的基本信息。
伯克利實驗室核科學部門的資深科學家保羅·法倫說：「當你接近滴水線時，我們腦海中的一個有趣問題是：'中子和質子的排列方式是否會發生變化?'和該研究的共同作者。「核物理領域的主要目標之一是了解從元素的核心一直到滴灌線的結構。」
他說，這種基本的理解可以為有關爆炸過程的理論提供信息，例如在明星合併和爆炸中產生重元素。
該研究基於放射性同位素束工廠(RIBF)的實驗，該工廠位於日本Wako的RIKEN Nishina加速器基礎科學中心。研究人員結合了三種回旋加速器的功效 - 這是1931年由伯克利實驗室創始人歐內斯特勞倫斯開發的一種粒子加速器 - 用於產生以約60%光速傳播的超高能粒子束。
研究小組使用了一個強大的鈣離子束-48，這是一種穩定的鈣同位素，具有神奇數量的質子(20)和中子(28)，可以撞擊幾毫米厚的碳盤。
一些鈣-48核撞擊到碳核中，在某些情況下產生鋁同位素，稱為鋁-41。核物理實驗將這些鋁-41原子分離出來，然後引導它們撞擊一釐米厚的塑料(CH 2)靶。這個次級目標的影響將質子從一些鋁-41核中撞出，形成了Mg-40核。
第二個目標被伽馬射線探測器包圍，研究人員能夠根據射束 - 目標相互作用中發射的伽馬射線的測量結果來研究Mg-40的激發態。
除了Mg-40之外，測量結果還捕獲了其他鎂同位素(包括Mg-36和Mg-38)的激發態能量。
「大多數模型表示，Mg-40應該看起來與較輕的同位素非常相似，」克勞福德說。「但事實並非如此。當我們看到一些看起來非常不同的東西時，接下來面臨的挑戰是新理論能夠捕捉到所有這些。「
由於這些理論現在不同意實驗中所見，因此需要進行新的計算來解釋Mg-40核與Mg-38和其他同位素相比結構的變化。
法倫說，許多計算表明Mg-40核非常變形，可能是足球形，所以Mg-40中的兩個中子可能在核心周圍嗡嗡作響，形成一個所謂的暈核而不是被納入鄰近的鎂同位素表現出的形狀。
「我們推測一些物理學，但這必須通過更詳細的計算來證實，」他說。
克勞福德說，額外的測量和理論研究Mg-40，附近的同位素可以幫助確定Mg-40核的形狀，並解釋導致核結構變化的原因。
研究人員指出，密西根州立大學正在建設的新DOE科學用戶設施的核物理設施稀有同位素光束與伯克利實驗室正在建造的伽馬射線能量跟蹤陣列(GRETA)相結合，將進一步研究核滴灌線附近的其他元素。