Första upptäckten av Oxygen 28 & standardskalmodell av kärnkraftsstruktur   

Oxygen-28 (²⁸O), den tyngsta sällsynta isotopen av syre har upptäckts för första gången av japanska forskare. Det visade sig oväntat vara kortlivat och instabilt trots att det uppfyllde de "magiska" nummerkriterierna för nukleär stabilitet.  

Syrgas har många isotoper; alla har 8 protoner (Z) i sina kärnor men skiljer sig åt med avseende på antal neutroner (N). De stabila isotoperna är ¹⁶O, ¹⁷O och ¹⁸O som har 8, 9 respektive 10 neutroner i sina kärnor. Av de tre stabila isotoper, ¹⁶O är vanligast och utgör cirka 99.74 % av allt syre som finns i naturen. 

Nyligen upptäckt ²⁸O-isotopen har 8 protoner (Z=8) och 20 neutroner (N=20). Det förväntades vara stabilt eftersom det uppfyller kravet på "magiskt" tal med avseende på både protoner och neutroner (dubbel magi) men visade sig vara kortlivat och sönderfalla snabbt.  

Vad gör en atoms kärna stabil? Hur positivt laddade protoner och neutroner hålls samman i en atoms kärna?  

Under standard skal-modell av nukleär struktur, protoner och neutroner tros uppta skal. Det finns en gräns för optimalt antal nukleoner (protoner eller nukleoner) som kan rymmas i ett givet "skal". Kärnor är kompakta och mer stabila när "skal" är helt fyllda med ett "specifikt antal" protoner eller neutroner. Dessa "specifika siffror" kallas "magiska" siffror.  

För närvarande anses 2, 8, 20, 28, 50, 82 och 126 i allmänhet vara "magiska" siffror. 

När både antalet protoner (Z) och antalet neutroner (N) i en kärna är lika med "magiska" tal, anses det vara ett fall av "dubbel" magi som förknippas med stabil nukleär strukturera. Till exempel, ¹⁶O, den mest stabila och rikligaste isotopen av syre har Z=8 och N=8 som är "magiska" tal och ett fall av dubbelmagi. Likaså den nyligen upptäckta isotopen ²⁸O har Z=8 och N=20 som är magiska tal. Därför förväntades Oxygen-28 vara stabil men har visat sig vara instabil och kortlivad i ett experiment (även om detta experimentella fynd ännu inte har validerats i upprepade experiment i andra miljöer).  

Tidigare föreslogs 32 vara ett nytt magiskt neutronnummer, men det visade sig inte vara ett magiskt tal i kaliumisotoper. 

Standard skal-modell av nukleär struktur, den nuvarande teorin som förklarar hur atomkärnor är uppbyggda verkar otillräcklig åtminstone i fallet med ²⁸O isotop.  

Nukleonerna (protoner och neutroner) hålls samman i kärnan av stark kärnkraft. Förståelse för kärnkraftsstabilitet och hur element är smidda ligger i att utveckla bättre förståelse för denna grundläggande kraft.  

***

Referenser:  

1. Tokyo Institute of Technology. Forskningsnyheter – Exploring Light Neutron-Rich Nuclei: First Observation of Oxygen-28. Publicerad: 31 augusti 2023. Tillgänglig på https://www.titech.ac.jp/english/news/2023/067383  

2. Kondo, Y., Achouri, NL, Falou, HA et al. Första observationen av ²⁸O. Natur 620, 965-970 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06352-6 

3. US Department of Energy 2021. Nyheter – The Magic Is Gone for Neutron Number 32. Tillgänglig på https://www.energy.gov/science/np/articles/magic-gone-neutron-number-32  

4. Koszorús, Á., Yang, XF, Jiang, WG et al. Laddningsradier för exotiska kaliumisotoper utmanar kärnteorin och den magiska karaktären hos N = 32. Nat. Phys. 17, 439-443 (2021). https://doi.org/10.1038/s41567-020-01136-5 

***