Zuurstof-28 (28O), de zwaarste zeldzame isotoop van zuurstof is voor het eerst ontdekt door Japanse onderzoekers. Onverwachts bleek dat het van korte duur en onstabiel was, ondanks dat het voldeed aan de “magische” aantalcriteria van nucleair stabiliteit.
Zuurstof heeft veel isotopen; ze hebben allemaal 8 protonen (Z) in hun kern, maar verschillen qua aantal neutronen (N). De stabiele isotopen zijn dat wel 16O, 17O en 18O die respectievelijk 8, 9 en 10 neutronen in hun kernen hebben. Van de drie stabiele isotopen, 16O komt het meest voor en vormt ongeveer 99.74% van alle zuurstof die in de natuur wordt aangetroffen.
Onlangs gedetecteerd 28O-isotoop heeft 8 protonen (Z=8) en 20 neutronen (N=20). Er werd verwacht dat het stabiel zou zijn omdat het voldoet aan de eis van een “magisch” getal met betrekking tot zowel protonen als neutronen (dubbel magisch), maar het bleek een korte levensduur te hebben en snel te vervallen.
Wat maakt de kern van een atoom stabiel? Hoe positief geladen protonen en neutronen worden bij elkaar gehouden in de atoomkern?
Onder standaard shell-model van nucleair structuur, wordt aangenomen dat protonen en neutronen granaten bezetten. Er is een limiet aan het optimale aantal nucleonen (protonen of nucleonen) dat in een bepaalde “schil” kan worden ondergebracht. Kernen zijn compact en stabieler wanneer “schillen” volledig gevuld zijn met een “specifiek aantal” protonen of neutronen. Deze ‘specifieke getallen’ worden ‘magische’ getallen genoemd.
Momenteel worden 2, 8, 20, 28, 50, 82 en 126 over het algemeen als ‘magische’ getallen beschouwd.
Wanneer zowel het aantal protonen (Z) als het aantal neutronen (N) in een kern gelijk zijn aan ‘magische’ getallen, wordt dit beschouwd als een geval van ‘dubbele’ magie die wordt geassocieerd met stabiele nucleair structuur. Bijvoorbeeld, 16O, de meest stabiele en meest voorkomende isotoop van zuurstof heeft Z=8 en N=8, wat “magische” getallen zijn en een geval van dubbele magie. Hetzelfde geldt voor de onlangs gedetecteerde isotoop 28O heeft Z=8 en N=20, wat magische getallen zijn. Daarom werd verwacht dat zuurstof-28 stabiel zou zijn, maar bleek in een experiment onstabiel en van korte duur te zijn (hoewel deze experimentele bevinding nog moet worden gevalideerd in herhaalde experimenten in de andere omgevingen).
Eerder werd gesuggereerd dat 32 een nieuw magisch neutronengetal zou zijn, maar dit bleek geen magisch getal te zijn in isotopen van kalium.
Standaard schaalmodel van nucleair structuur, lijkt de huidige theorie die uitlegt hoe atoomkernen zijn gestructureerd onvoldoende, althans in het geval van 28O isotoop.
De nucleonen (protonen en neutronen) worden in de kern bij elkaar gehouden door een sterke kernkracht. Begrip van nucleaire stabiliteit en hoe elementen worden gesmeed ligt in het ontwikkelen van een beter begrip van deze fundamentele kracht.
***
Referenties:
- Technologisch Instituut van Tokio. Onderzoeksnieuws – Onderzoek naar lichte neutronenrijke kernen: eerste observatie van zuurstof-28. Gepubliceerd: 31 augustus 2023. Beschikbaar op https://www.titech.ac.jp/english/news/2023/067383
- Kondo, Y., Achouri, NL, Falou, HA et al. Eerste waarneming van 28O. NATUUR 620, 965-970 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06352-6
- US Department of Energy 2021. Nieuws – De magie is verdwenen voor neutronennummer 32. Beschikbaar op https://www.energy.gov/science/np/articles/magic-gone-neutron-number-32
- Koszorús, Á., Yang, XF, Jiang, WG et al. Ladingsstralen van exotische kaliumisotopen dagen de kerntheorie en het magische karakter ervan uit N = 32. nat. Fys. 17, 439-443 (2021). https://doi.org/10.1038/s41567-020-01136-5
***
