在原子中，原子核是由質子和中子構成的。具有相同質子數但不同中子數的原子被稱為同位素。通常，只有當質子數和中子數成一定比例時，原子核才穩(wěn)定。不穩(wěn)定的原子核，往往有著極不平衡的質子數和中子數。
不穩(wěn)定的原子核雖然可以在核反應中出現，但它們很快就會衰變，它們通常通過釋放一個α粒子（即氦核）或經歷所謂的β衰變（即一個中子轉變成質子、電子和反電子中微子）產生新的粒子。
最近，一個國際研究團隊通過實驗檢測到了迄今為止最輕的鎂同位素——鎂-18（1?Mg）。這種同位素是在美國國家超導回旋加速器實驗室（NSCL）中被創(chuàng)造出來的，它極不穩(wěn)定，會在科學家能對其進行直接測量之前就衰變。
這一發(fā)現為測試和改進核結構模型提供了新的機會。研究人員將他們的發(fā)現發(fā)表在了近期的《物理評論快報》上。
在地球上，鎂的儲量豐富，它們是我們飲食和地殼礦物質的重要組成部分。所有鎂原子的原子核內都有12個質子，最常見的幾種鎂同位素分別是含有12、13、14個中子的鎂-24（2?Mg）、鎂-25（2?Mg）、鎂-26（2?Mg），這三種同位素都很穩(wěn)定，有著不會輕易“瓦解”的原子核。
但是新創(chuàng)造出的1?Mg就非常的不穩(wěn)定，它們很難存在于在自然界中?？茖W家通常只能同使用粒子加速器來制造這些奇異的同位素，從而幫助他們推動能夠解釋所有原子核是如何形成并維持在一起的核結構模型的極限。通過改善這些模型，科學家可以更好地預測在極端的宇宙環(huán)境中——那些我們永遠無法在地球上直接模擬或測量的環(huán)境中，會發(fā)生些什么。
一些粒子加速器一直在各方各面協助世界各地的科學家進一步了解宇宙，其中就包括新研究中所使用的NSCL。自1982年以來，NSCL就參與了許多不同的制造新同位素的研究項目，其中包括最新的鎂-18的創(chuàng)造。
在新研究之前，鎂的最輕版本是含有7個中子的同位素，鎂-19（1?Mg）。為了制造更輕的1?Mg，研究人員選擇從鎂的穩(wěn)定版本，2?Mg開始。
在回旋加速器中，他們首先將一束2?Mg原子核加速到光速的一半左右，然后將這束2?Mg快速與一個由鈹元素制成的金屬箔相撞。通過碰撞，加速器內會產生一堆比2?Mg更輕的同位素。接著，研究人員會從這些同位素“湯”中，選出一種他們想要鎂-20（2?Mg）。
2?Mg也是一種不穩(wěn)定的鎂同位素，它的原子核中含有12個質子和8個中子，通常會在十分之一秒的時間內就發(fā)生衰變。因此，研究人員必須及時讓鎂-20與另一個鈹靶在30米外的位置發(fā)生對撞。由于粒子束的速度達到了光速的一半，因此它們可以很快就抵達目標處。
在這次的對撞中，一些2?Mg會失去兩個中子，產生1?Mg。這種物質的存在時間大約在10的21次方分之一秒左右，這是極其短暫的時間，以至于1?Mg在分解之前，都沒有電子遮蓋在其周圍，它是以裸核的形式存在的。
在如此短的時間內，1?Mg不會離開鈹靶。這意味著新的同位素會在靶內衰變，因此科學家并不能直接檢測這種同位素，但他們通過一些過程來確定其衰變的跡象。
1?Mg首先從原子核中迅速放射出兩個質子，成為氖-16（1?Ne）。然后1?Ne會再放射出兩個質子，衰變成氧-14（1?O）。通過分析脫離了靶的質子和氧，研究人員就可以推斷出1?Mg性質。他們利用光譜儀從剩余的2?Mg核中捕捉1?O，并對放射出的質子進行檢測，發(fā)現這些質子會以1°到10°之間的角度偏離了粒子束。他們測量了這些質子的能量，通過這些測量，研究人員推斷出了1?Mg衰變前的能量。
能夠發(fā)現一種新的同位素是很令人興奮的結果。每年，科學家都在已知的同位素清單中添加新的條目。現在，這些同位素的數量已經多達數千種。雖然，新發(fā)現的這種極不穩(wěn)定的同位素并不能直接幫助我們回答宇宙中的元素從何而來的，它們是如何形成的，以及這些過程又是如何發(fā)生的等問題。但它們可以幫助科學家更好地理解那些定義了我們存在的原子是如何形成的，并幫助我們完善那些用以解釋這些謎團的理論和模型。
#創(chuàng)作團隊：
文：小雨
#參考來源：
https://frib.msu.edu/news/2021/magnesium-18.html
https://physics.aps.org/articles/v14/s165
#圖片來源：
首圖：S. M. Wang/Fudan University
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