中国科学家发现新质子幻数：硅-22核素揭示原子核结构新规律

热门资讯 2025年08月23日 13:34 1 admin

中国科学院近代物理研究所的科学家团队成功测量了极短寿命原子核硅-22的精确质量，首次证实14是一个新的质子"幻数"。这项发表在最新研究中的发现不仅为核物理学的基础理论提供了重要验证，更可能改变我们对强核力作用机制和宇宙元素形成过程的理解。通过创新的同步质谱技术，研究人员克服了这种极不稳定核素难以产生和测量的技术挑战，为探索极端条件下的原子核结构开辟了新路径。

镜像魔法：奇特原子核氧-22和硅-22的“核心”都类似于氧-16，有8个质子和8个中子。富含中子的氧同位素含有额外的六个中子（蓝色球体），而贫中子的硅同位素含有额外六个质子（红色球体）。硅-22的质量测量与理论计算相结合，表明它具有类似于氧-22的双魔结构，同时也表现出轻微的对称性断裂，质子空间分布更广。（友情提供：IMP）

硅-22核素包含14个质子和8个中子，其半衰期极短且产量稀少，一直是核物理研究的难点。研究团队在兰州重离子加速器冷却储存环上，通过将氩-36离子束加速至接近三分之二光速，并轰击铍靶产生硅-22碎片的方法，成功获得了足够的实验样本。随后利用改进的Bρ定义同步质谱技术，精确测量了硅-22核素在储存环中的运行速度和周期时间，从而确定其准确质量。

幻数理论的重要验证

原子核幻数概念最早由诺贝尔物理学奖得主玛丽亚·格佩特-迈耶和汉斯·延森于1949年提出。根据核壳层模型理论，当原子核中的质子或中子数量达到特定的"幻数"时，核子恰好填满能量壳层，使得原子核具有异常稳定的结构。对于中子而言，已知的幻数为2、8、20、28、50、82和126。当原子核同时具有幻数的质子和中子时，被称为"双幻核",其结合能更高，稳定性更强。

然而，对于质子与中子比例极不平衡的奇异核素，其幻数规律仍存在诸多未知。近年来的研究表明，富中子核素存在14、16、32和34等新的中子幻数，但对于富质子核素的幻数研究则相对滞后。中科院近代物理所研究员邢远鸣指出："对富质子核素新幻数的探索同样令人兴奋，因为我们对这些核素壳层结构演化的了解还很有限，其中价质子的束缚较为松散，甚至可能与连续态耦合，形成备受量子研究关注的开放量子系统。"

此次硅-22的精确质量测量证实了14作为质子幻数的有效性，为同位旋对称性理论提供了重要实验证据。同位旋对称性是核物理学的重要理论，预言质子数和中子数互换的"镜像核"应具有相同的特性。氧-22（8个质子、14个中子）此前已被证实为双幻核，而硅-22作为其镜像核，理论上也应表现出相似的幻数特征。

技术突破与实验创新

硅-22核素的研究面临巨大技术挑战。该核素半衰期仅为数十毫秒，且产生截面极小，传统的核质量测量方法难以应用。研究团队采用的Bρ定义同步质谱技术是一种专门针对短寿命核素设计的高精度测量方法，通过测量核素在磁场中的轨道半径和运行周期来确定其质量与电荷比。

在兰州重离子加速器冷却储存环的实验中，研究人员首先将稳定的氩-36离子加速至约20万公里每秒的高速，随后让这些高能离子撞击15毫米厚的铍靶。在碰撞过程中，部分氩核发生破碎反应产生硅-22核素。这些新产生的核素随即被注入储存环，研究人员通过精确测量其在环中的运行参数来推算质量。

意大利勒尼亚罗国家实验室核物理学家贾科莫·德安杰利斯评价道："我们的工作为检验核物理学基础理论提供了绝佳机会，有助于更好地理解核子相互作用、奇异核结构的演化以及极端奇异核的存在极限。这也可能为恒星内部元素形成的反应速率研究提供新视角，帮助天体物理学家更好地模拟宇宙事件并理解宇宙运行机制。"

宇宙学意义与未来展望

这项发现的意义远超核物理学范畴，对理解宇宙中元素的形成过程具有重要价值。在恒星内部的核合成过程中，各种轻元素通过核反应转化为重元素，而这些反应的速率很大程度上取决于参与核素的结构特性。硅-22等奇异核素虽然在地球上极难观测，但在恒星内部的极端条件下可能扮演重要角色。

新幻数的发现有助于修正核合成反应的理论模型，从而更准确地预测各种元素在宇宙中的丰度分布。这对于理解大爆炸核合成、恒星演化过程以及中子星碰撞等天体现象都具有重要意义。特别是对于解释宇宙中某些稀有元素的起源和分布，新的核物理数据提供了关键的理论支撑。

从技术发展角度看，这项研究展示了中国在核物理实验技术方面的创新能力。兰州重离子加速器冷却储存环作为世界领先的核物理研究平台，为探索极端核素提供了独特的实验条件。即将投入使用的惠州强流重离子加速器装置将进一步提升中国在这一领域的研究能力。

国际合作也是这项研究的重要特色。除了中科院近代物理所的核心团队，研究还得到了意大利、德国等多国科学家的参与和支持。美国密歇根州立大学的稀有同位素束流装置近期也测量了硅-22核素第一激发态的能量，与中国的质量测量结果形成了重要的互补。

德安杰利斯表示："硅-22核素的首次质量测量和质子幻数14的发现，不仅对我们，也对全世界的核物理学家都是一个强烈的邀请，促使大家进行更深入的研究。即将投入运行的惠州强流重离子加速器装置将为我们提供理想的实验条件，探索其他松散束缚系统，从而帮助理论家更深入地理解核子-核子相互作用、开放量子系统的量子力学以及宇宙中元素的起源。"

这项发现标志着核物理学在理解原子核基本结构方面取得了重要进展，为未来在更广泛的奇异核素中寻找新的幻数规律奠定了基础。随着实验技术的不断进步和理论模型的完善，人类对物质世界最基本构成单元的认识将继续深化。