摘要：放射性原子失去粒子的抽象插图。在自然界中，由于核粒子的某些“神奇数字”，一些原子本质上比其他原子更稳定。 （图片来源：aire images via Getty Images）

为什么有些元素会在几分钟内衰变，而另一些元素会持续数十亿年？核粒子的某些“神奇数字”可能会产生重大影响。

放射性原子失去粒子的抽象插图。在自然界中，由于核粒子的某些“神奇数字”，一些原子本质上比其他原子更稳定。 （图片来源：aire images via Getty Images）

有些原子是稳定的，而另一些原子似乎会分崩离析。铅 208 可能会永远存在，而合成同位素锝 99 只能存在几个小时。区别在于原子核的结构，核粒子的某些“神奇数字”使一些同位素特别耐放射性衰变。

那么这些神奇的数字是什么，为什么它们如此特别呢？

原子核的稳定性随其所含核粒子的数量而变化很大。有些，如铅 208 和钙 40，自地球首次形成以来就已经存在。它们被称为原始同位素，很可能会存活到时间的尽头。其他的，如 oganesson-294 和 tennessine-294，会立即因放射性衰变而消失，转瞬即逝的半衰期分别仅为 0.89 和 0.80 毫秒。

这种稳定性似乎部分与原子的质量有关，较重的元素被证明不太稳定。但在 1940 年代和 50 年代，科学家们观察到许多较轻的元素也含有放射性同位素;碳 14 和钾 40 都会缓慢地经历放射性衰变，并且是地球大部分背景辐射的原因。

有趣的是，这些科学家注意到，非常特殊数量的质子和中子似乎会导致异常稳定的原子核，这些值被称为神奇数字。

“神奇的数字是 2、8、20、28、50、82 和 126，”英国约克大学的核物理学家大卫·詹金斯说，“如果你拿最轻的一个——两个质子和两个中子——那就是氦原子的原子核，我们知道这是质子和中子的非常稳定的组合。

氦原子核，也称为α粒子，在发生核衰变时从较重、不稳定的原子中自发发射。

“如果你仔细想想，这很奇怪，”詹金斯说。“如果一个原子要衰变，为什么它不一次失去一个质子或中子？原因是阿尔法粒子非常非常稳定，这与幻数的想法有关。

其他神奇原子核包括氧 16（8 个质子和 8 个中子）、钙 40（20 个质子和 20 个中子）和铅 208（82 个质子和 126 个中子），这是已知最重的稳定元素。

为了理解这些奇怪的观察结果，物理学家提出了“核壳模型”，该模型与用于解释原子化学行为的电子壳相似。

詹金斯解释说：“我们的想法是质子和中子位于壳层中，有点像原子中的电子，核激发将涉及质子和中子在这些壳层之间上下跳跃。

与它们的电子类似物一样，这些核壳层具有称为量子态的固定能量值，当这些壳层完全充满时，系统最稳定。这背后的确切推理是量子力学因素的复杂组合，但人们认为，强力——将质子和中子在原子核中固定在一起的基本相互作用——高于完整壳中每个粒子的预期。

因此，幻数只是填充每个核壳所需的粒子数量，质子和中子具有不同的水平。单个同位素可以相应地是单魔法，具有质子或中子的神奇数字（例如，原始同位素铁 56），也可以是双魔法，具有质子和中子的神奇数字（如氧 16 和铅 208）。

詹金斯说，这些双重魔法系统很少，但它们拥有一些有趣的量子特性。

他说，“双重魔法系统具有物质和电荷的球形分布”——一个完全圆形的原子核。“大多数原子核是变形和旋转的。它们的结构非常不同。

没有人知道这个模型会延伸多远。锡 100 是最重的双魔法原子核，有 50 个质子和 50 个中子，半衰期仅为 1.2 秒，而继铅之后的下一个神奇元素 unbihexium 从未被合成过。因此，这种神奇的稳定性提升是否足以让科学家在元素周期表中添加第八行仍然是一个悬而未决的问题。

来源：丽丽说科学