Første påvisning av oksygen 28 og standard skallmodell av kjernefysisk struktur   

Oksygen-28 (²⁸O), den tyngste sjeldne isotopen av oksygen har blitt oppdaget for første gang av japanske forskere. Uventet ble den funnet å være kortvarig og ustabil til tross for at den oppfyller de "magiske" tallkriteriene til kjernekraft stabilitet.  

Oksygen har mange isotoper; alle har 8 protoner (Z) i kjernene, men er forskjellige med hensyn til antall nøytroner (N). De stabile isotopene er ¹⁶O, ¹⁷O og ¹⁸O som har henholdsvis 8, 9 og 10 nøytroner i sine kjerner. Av de tre stabile isotoper, ¹⁶O er mest tallrike og utgjør omtrent 99.74% av alt oksygen som finnes i naturen. 

Nylig oppdaget ²⁸O-isotopen har 8 protoner (Z=8) og 20 nøytroner (N=20). Det ble forventet å være stabilt fordi det oppfyller kravet til "magisk" tall med hensyn til både protoner og nøytroner (dobbeltmagi), men ble funnet å være kortvarig og raskt forfalt.  

Hva gjør kjernen i et atom stabil? Hvor positivt ladede protoner og nøytroner holdes sammen i et atoms kjerne?  

Under standard skall-modell av kjernekraft struktur, protoner og nøytroner antas å okkupere skjell. Det er en grense for optimalt antall nukleoner (protoner eller nukleoner) som kan romme et gitt "skall". Kjerner er kompakte og mer stabile når "skjell" er fullt fylt med et "spesifikt antall" protoner eller nøytroner. Disse "spesifikke tallene" kalles "magiske" tall.  

For tiden regnes 2, 8, 20, 28, 50, 82 og 126 generelt som "magiske" tall. 

Når både antall protoner (Z) og antall nøytroner (N) i en kjerne er lik "magiske" tall, anses det å være et tilfelle av "dobbelt" magi som er assosiert med stabil kjernekraft struktur. For eksempel, ¹⁶O, den mest stabile og rikeligste isotopen av oksygen har Z=8 og N=8 som er "magiske" tall og et tilfelle av dobbeltmagi. Tilsvarende den nylig oppdagede isotopen ²⁸O har Z=8 og N=20 som er magiske tall. Derfor ble oksygen-28 forventet å være stabil, men har vist seg å være ustabil og kortvarig i et eksperiment (selv om dette eksperimentelle funnet ennå ikke er validert i gjentatte eksperimenter i de andre innstillingene).  

Tidligere ble 32 foreslått å være et nytt magisk nøytronnummer, men ble ikke funnet å være et magisk tall i isotoper av kalium. 

Standard skall-modell av kjernekraft struktur, synes den nåværende teorien som forklarer hvordan atomkjerner er strukturert å være utilstrekkelig i det minste i tilfelle av ²⁸O isotop.  

Nukleonene (protoner og nøytroner) holdes sammen i kjernen av sterk kjernekraft. Forståelse av kjernefysisk stabilitet og hvordan elementer blir smidd ligger i å utvikle bedre forståelse av denne grunnleggende kraften.  

***

Referanser:  

1. Tokyo Institute of Technology. Forskningsnyheter – Utforsking av lette nøytronrike kjerner: Første observasjon av oksygen-28. Publisert: 31. august 2023. Tilgjengelig på https://www.titech.ac.jp/english/news/2023/067383  

2. Kondo, Y., Achouri, NL, Falou, HA et al. Første observasjon 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. Tilgjengelig på https://www.energy.gov/science/np/articles/magic-gone-neutron-number-32  

4. Koszorús, Á., Yang, XF, Jiang, WG et al. Ladningsradier til eksotiske kaliumisotoper utfordrer kjernefysisk teori og den magiske karakteren til N = 32. Nat. Fys. 17, 439-443 (2021). https://doi.org/10.1038/s41567-020-01136-5 

***