Zuurstof-28 ( 28O ), het zwaarste zeldzame isotoop van zuurstof, is voor het eerst gedetecteerd door Japanse onderzoekers. Verrassend genoeg bleek het een kortlevende en instabiele isotoop te zijn, ondanks dat het voldoet aan de criteria voor nucleaire stabiliteit die gelden bij een 'magisch' getal.
Zuurstof kent vele isotopen; ze hebben allemaal 8 protonen (Z) in hun kern, maar verschillen in het aantal neutronen (N). De stabiele isotopen zijn 16O , 17O en 18O , die respectievelijk 8, 9 en 10 neutronen in hun kern hebben. Van de drie stabiele isotopen is 16O het meest voorkomend en vormt ongeveer 99.74% van alle zuurstof in de natuur.
Het recent ontdekte 28O -isotoop heeft 8 protonen (Z=8) en 20 neutronen (N=20). Men verwachtte 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?
Volgens het standaard schillenmodel van de kernstructuur bezetten protonen en neutronen schillen. Er is een limiet aan het optimale aantal nucleonen (protonen of neutronen) dat in een bepaalde "schil" past. Kernen zijn compacter en stabieler wanneer "schillen" volledig gevuld zijn met een "specifiek aantal" protonen of neutronen. Deze "specifieke aantallen" 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 is aan een "magisch" getal, spreekt men van een "dubbel magisch" geval, wat geassocieerd wordt met een stabiele kernstructuur . Zo heeft 16O , het meest stabiele en meest voorkomende isotoop van zuurstof, Z=8 en N=8, wat "magische" getallen zijn en een voorbeeld van een dubbel magisch geval. Evenzo heeft het recent ontdekte isotoop 28O Z=8 en N=20, wat eveneens magische getallen zijn. Daarom werd verwacht dat zuurstof-28 stabiel zou zijn, maar in een experiment is gebleken dat het instabiel en kortlevend is (hoewel deze experimentele bevinding nog moet worden bevestigd in herhaalde experimenten in andere omstandigheden).
Eerder werd gesuggereerd dat 32 een nieuw magisch neutronengetal zou zijn, maar dit bleek geen magisch getal te zijn in isotopen van kalium.
Het standaard schillenmodel van de kernstructuur , de huidige theorie die verklaart hoe atoomkernen zijn opgebouwd, lijkt in ieder geval in het geval van het 28O -isotoop ontoereikend.
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 en wandelen 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
***
, the heaviest rare isotope of oxygen has been detected for the first time by Japanese researchers. Unexpectedly it was found to be short-lived and unstable despite meeting the “magic” number criteria of nuclear stability. ){kind=link}