為何有些元素在幾分鐘內(nèi)就衰變，而另一些卻能存續(xù)數(shù)十億年？某些核粒子的特定"幻數(shù)"可能是關(guān)鍵所在。

有些原子穩(wěn)定，有些卻似乎分崩離析。鉛-208或許能永恒存在，而人工同位素锝-99僅能存續(xù)數(shù)小時(shí)。這種差異源于原子核的結(jié)構(gòu) —— 某些核粒子的特定"幻數(shù)"使某些同位素特別抵御放射性衰變。

那么這些幻數(shù)是什么？它們?yōu)楹稳绱颂厥猓?/strong>

原子核的穩(wěn)定性因其包含的核粒子數(shù)量而有巨大差異。像鉛-208和鈣-40這類(lèi)自地球形成之初就存在的原始同位素，很可能存續(xù)到時(shí)間盡頭。而像-294和?-294這樣的同位素，會(huì)在瞬間因放射性衰變消失，它們的半衰期分別僅為0.89毫秒和0.80毫秒。

這種穩(wěn)定性似乎部分與原子質(zhì)量相關(guān)，較重元素通常更不穩(wěn)定。但在20世紀(jì)40至50年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)許多較輕元素也存在放射性同位素；碳-14和鉀-40都會(huì)緩慢發(fā)生放射性衰變，它們構(gòu)成了地球背景輻射的主要部分。

有趣的是，科學(xué)家們注意到特定數(shù)量的質(zhì)子和中子會(huì)形成異常穩(wěn)定的原子核，這些數(shù)值后來(lái)被稱(chēng)為幻數(shù)。

英國(guó)約克大學(xué)核物理學(xué)家大衛(wèi)·詹金斯指出："幻數(shù)是2、8、20、28、50、82和126。最輕的幻數(shù)核 —— 兩個(gè)質(zhì)子與兩個(gè)中子 —— 就是氦原子核，我們知道這是非常穩(wěn)定的質(zhì)中子組合。"

殼層游戲

氦原子核（即α粒子）會(huì)在較重的不穩(wěn)定原子核衰變時(shí)自發(fā)釋放。詹金斯解釋道："這其實(shí)很奇特。原子衰變時(shí)為何不逐個(gè)釋放質(zhì)子或中子？原因在于α粒子極其穩(wěn)定，這與幻數(shù)概念密切相關(guān)。"

其他幻數(shù)核包括氧-16（8質(zhì)子8中子）、鈣-40（20質(zhì)子20中子）以及已知最重的穩(wěn)定元素鉛-208（82質(zhì)子126中子）。為解釋這些奇特現(xiàn)象，物理學(xué)家提出"核殼層模型"，該模型與解釋原子化學(xué)行為的電子殼層理論具有相似性。

詹金斯說(shuō)明："該模型認(rèn)為質(zhì)子和中子分布于不同殼層，類(lèi)似原子中的電子結(jié)構(gòu)。核激發(fā)涉及質(zhì)中子在殼層間的躍遷。"與電子殼層類(lèi)似，這些核殼層具有稱(chēng)為量子態(tài)的固定能量值，當(dāng)殼層完全填滿(mǎn)時(shí)體系最穩(wěn)定。其背后機(jī)理是量子力學(xué)因素的復(fù)雜組合，但一般認(rèn)為完整殼層中強(qiáng)相互作用力（維系核子結(jié)合的基本力）會(huì)高于預(yù)期。

因此幻數(shù)就是填滿(mǎn)每個(gè)核殼層所需的粒子數(shù)，質(zhì)子和中子各有獨(dú)立能級(jí)。同位素可對(duì)應(yīng)為單幻數(shù)（質(zhì)子或中子數(shù)為幻數(shù)，如原始同位素鐵-56）或雙幻數(shù)（質(zhì)子中子數(shù)均為幻數(shù)，如氧-16和鉛-208）。

詹金斯表示，雙幻數(shù)體系雖稀少卻具有迷人量子特性："雙幻數(shù)核擁有球狀物質(zhì)與電荷分布 —— 即完全球形的原子核。多數(shù)原子核是變形且旋轉(zhuǎn)的，結(jié)構(gòu)截然不同。"

該模型的適用范圍仍是未解之謎。最重的雙幻數(shù)核錫-100（50質(zhì)子50中子）半衰期僅1.2秒，而鉛之后的下一個(gè)幻數(shù)元素（unbihexium）至今未被合成。幻數(shù)帶來(lái)的穩(wěn)定性提升能否讓科學(xué)家為元素周期表增添第八周期，仍是懸而未決的命題。

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