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用超級電腦來驗證雙幻原子核(double magic nuclei)

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撰文者:陳勁豪 博士(臺大梁次震宇宙學與粒子天文物理學中心專案計畫助理研究員)
發文日期:2016-12-29
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  • 美國橡樹嶺(Oak Ridge National Laboratory)的物理學家用超級電腦確認了鎳78是個雙幻原子核(double magic nuclei)。

    所有的原子核都是由質子與中子所構成,而質子與中子又統稱為核子(nucleon)。當質子與中子結合形成原子核的時候,不論質子或中子都會根據殼層模型(shell model)來排列。原子核的殼層模型主要是根據包立的不相容原理,然後一層一層的排列上去。當一個殼層被填滿的時候,原子核會特別穩定,這時的質子或中子數被稱為幻數(magic number)。根據實驗結果,幻數依序為2, 8, 20, 28, 50, 82, 126。當質子或中子的數目為幻數的時候,再加入一個質子或中子所需的結合能便會顯著提高,可以看成是比較不容易打破這個穩定的狀態。

     
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    日本的RIBF/Riken發現34核子(nucleon)之幻數(magic number) (圖片來源:wikimedia commons)
     
    由於質子與中子的堆疊相互獨立,因此質子與中子可以有其中一個數字為幻數。如果質子跟中子同時都是幻數,那這個原子核就稱為是雙幻核(double magic nuclei),例如氦4,氧8,鈣40,鈣48,鎳48,鎳78,還有鉛208。

    在這些雙幻核中,鎳78是由28個質子與50個中子所構成。一般而言,在原子核中,中子的數目會與質子的數目相當,或是略多一點。但是鎳78的中子數目幾乎是質子數目的兩倍,對物理學家來說,這是相當罕見的事情,因為雖然中子的數目通常大於質子,而且可以存在多個同位素(質子數相同,但中子數不同),但是中子數目並不能無限制的一直增加。一旦超過極限,整個原子核就會崩潰。所以物理學家想知道,以鎳78為起點,到底還可以再加入幾個中子,而不會讓整個原子核崩潰?
    橡樹嶺國家實驗室的Gaute Hagen與另外兩位物理學家利用實驗室裡的Titan超級電腦來計算鎳78的穩定性。他們發現鎳78的確就像雙幻核一樣穩定,而且更令人驚訝的是,根據計算結果,即便再多一個或兩個中子,整個原子核似乎也還是處於穩定狀態而不會崩潰。這顯示比鎳80更重的鎳同位素或許也有可能存在。
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    橡樹嶺國家實驗室的Gaute Hagen(左)、Thomas Papenbrock(中)和Gustav Jansen(右) (Credit: Oak Ridge National Laboratory, U.S. Dept. of Energy; photographer Jason Richards.)

    這是第一次理論核物理學家可以用電腦直接計算鎳78與其週邊原子核的穩定性。而且未來將可能可以利用類似的方法來對超重稀有同位素進行計算。

    原始論文
    Structure of Ni78 from First-Principles Computations
    G. Hagen, G. R. Jansen, and T. Papenbrock
    Phys. Rev. Lett. 117, 172501 
    相關報導
    Phys.org 2016/10/26: Nickel-78 is a 'doubly magic' isotope, supercomputing calculations confirm
    http://phys.org/news/2016-10-nickel-doubly-magic-isotope-supercomputing.html
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