氮-9：第一个已知的发射五个质子的原子核
|
原子核是由质子和中子组成的，质子带正电，中子不带电。质子和中子之间有一种强相互作用，它可以抵消质子之间的斥力，使得原子核保持稳定。但是，强力的作用范围很小，只有几个质子或中子的直径，所以当原子核的质子或中子的数量太多或太少时，核力就不足以维持原子核的稳定，原子核就会发生衰变，释放出一些粒子或能量，变成另一种原子核。 原子核的质子和中子的数量可以用两个数字来表示，一个是原子序数Z，它是质子的数量，另一个是质量数A，它是质子和中子的总和。我们可以用符号X-A来表示一种原子核，比如氢-1，氦-4，碳-12等。不同的质子数可以组成不同的元素，比如氢的原子序数是1，氦的原子序数是2，碳的原子序数是6等。元素的化学性质主要取决于原子序数，也就是质子的数量，因为质子决定了原子的电荷，而电荷决定了原子和其他原子的相互作用。 但是，对于同一个元素，原子核的质量数可以有不同的取值，这些原子核叫做同位素，比如氢有三种同位素，氢-1，氢-2，氢-3，它们的原子序数都是1，但是质量数分别是1，2，3。同位素的物理性质主要取决于质量数，也就是质子和中子的比例，因为质子和中子决定了原子核的质量、能量、稳定性等。 我们可以用一张图来表示所有已知的原子核，这张图叫做核素图，它的横轴是原子序数Z，纵轴是中子数N（质量数A减去原子序数Z）。核图上的每个点代表一种原子核。核图上的原子核有些是稳定的，有些是不稳定的，不稳定的原子核会衰变成其他的原子核，直到达到稳定的状态。核图上有一条曲线，叫做贝塔稳定线，它大致表示了质子和中子的最佳比例，使得原子核最稳定。核图上的原子核如果偏离了贝塔稳定线，就会通过发射或吸收一些粒子趋向于回到这条线上。
核图上还有一些边界，它们表示了原子核存在的极限。也就是说，如果原子核超过了这些边界，它就不再是一个原子核，而是一些散开的粒子。这些边界叫做核存在极限，它们有四个方向，分别是质子极限，中子极限，质子-中子对称极限，质子-中子反对称极限。 质子极限表示了原子核的最大原子序数，也就是最多可以有多少个质子，中子极限表示了原子核的最大中子数，也就是最多可以有多少个中子，质子-中子对称极限表示了原子核的最大质量数，也就是最多可以有多少个质子和中子的总和，质子-中子反对称极限表示了原子核的最小质量数，也就是最少可以有多少个质子和中子的总和。这些极限都是理论上的，实际上，我们还没有观测到所有的原子核，所以我们不知道这些极限的确切位置，只能用一些模型来估计。 氮-9，它是一种非常罕见和奇特的原子核，它的原子序数是7，质量数是9，也就是说，它有7个质子和2个中子。你可能会想，这有什么奇怪的，不就是氮的一个同位素吗？是的，但是你要知道，氮-9是一个非常不稳定的原子核，它的质子和中子的比例远远偏离了贝塔稳定线，它的质子占了原子核的一半以上，它的中子太少了，核力不足以把它们粘在一起，所以它会立刻衰变，释放出一些粒子，变成其他的原子核。 这种衰变叫做质子发射，也就是说，原子核会发射出一个或多个质子，减少自己的原子序数，增加自己的稳定性。质子发射是一种很少见的衰变方式，只有一些非常质子富的原子核才会发生。这些原子核都是在质子极限附近的，它们的原子序数接近或等于它们的质量数，它们的质子和中子的比例接近或等于1。 但是，氮-9不同，它的质子和中子的比例是3.5，它的质子占了原子核的77%，它的原子序数远远大于它的质量数的一半，它是一个非常质子富的原子核，它不仅在质子极限附近，而且在质子-中子反对称极限附近，所以它是一个非常极端的原子核。它的存在时间非常短暂，当它衰变时会发射出五个质子，变成氦-4。氮-9是第一个已知的发射五个质子的原子核，它是一个五质子发射体，是一个非常特殊的原子核，可以帮助我们了解原子核的结构和性质，以及核存在极限的位置。
那么，氮-9是怎么产生的呢？它是在一个特殊的实验中产生的，这个实验是在日本的理化学研究所的RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science进行的，它使用了一个强大的加速器，叫做RI Beam Factory，它可以产生高能量的重离子束，也就是一些带电的重原子核，比如铀-238，钚-244等。这些重离子束被加速到接近光速，然后撞击一个靶，比如铍-9，碳-12等。在这个过程中，会产生一些新的原子核，它们被称为核合成产物，它们有一些特殊的性质，比如非常质子富，非常中子富，非常重，非常轻等。这些核合成产物会被一个复杂的仪器，叫做BigRIPS，分离和鉴别，它可以根据原子核的质量，能量，电荷，动量等参数，把它们分成不同的类别，然后送到不同的探测器，这些探测器可以测量原子核的衰变方式，衰变时间，衰变产物等信息，从而确定原子核的性质和存在性。 氮-9就是在这样的实验中被发现的，它是由钚-244离子束撞击碳-12靶产生的，它被BigRIPS分离出来，然后送到ZeroDegree Spectrometer，它是一个用来测量质子发射的探测器，它由一个塑料闪烁体和一个硅微条阵列组成，它可以测量质子发射的角度，能量，时间等信息，从而重建质子发射的过程。在这个探测器中，氮-9被观测到发射了五个质子，变成了氦-4，这是一个非常罕见的现象，它证明了氮-9的存在，也证明了它是一个五质子发射体。 |
