広報活動

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2013年10月9日

独立行政法人理化学研究所
北京航空航天大学

「魔法数」を持つ原子核に現れる「特別な核異性体」を発見

-中性子を非常に多く含むパラジウム同位体で魔法数82の存在を実証-

核図表と原子核の魔法数

図1 核図表と原子核の魔法数

原子の中心である原子核は、陽子と中性子からなり、これらの組合せによってさまざまな特徴を示します。陽子や中性子がある特定な数の時に原子核はとくに安定しますが、その時の数を「魔法数」と呼びます。原子核を構成する陽子と中性子は、それぞれに魔法数をもち、自然界に存在する原子核では、2・8・20・28・50・82・126が魔法数です。1949年に米国のメイヤーとドイツのイェンセンが、原子核にも魔法数があることを“殻構造モデル”によって説明しました。

メイヤーらの殻構造モデルの提唱以降、半世紀にわたって「魔法数は不変」とされていました。しかし、近年RI(放射性同位元素)ビームを用いた研究で、この定説を覆す実験結果が次々と得られています。現在『軽い中性子過剰核では魔法数8・20・28が消滅し、重い中性子過剰核でも、魔法数50・82が消滅する」という理論予測があり、実験的検証が待たれていました。

理研の研究者らを中心とした国際共同研究グループは、重い中性子過剰核で魔法数82が存在するかどうかを検証するため、世界最高性能の仁科加速器センター「RIビームファクトリー」を使い、中性子数82に近いRIを大量に生成しました。次に、RIが崩壊するに伴って放出されるガンマ線を、欧州ガンマ線検出器委員会(EOC)が管理する大球形ゲルマニウム半導体検出器を用いて測定したところ、中性子過剰核のパラジウム-128(128Pd:中性子数82)と、パラジウム-126(126Pd:中性子数80)に100万分の1秒程度の寿命を持つ「励起状態の核異性体」を発見しました。この核異性体の励起エネルギーと寿命を詳細に調べた結果、128Pdに現れた核異性体は、魔法数を持つ原子核に特有の“特別な状態”であることが分りました。特別な状態とは、エネルギーの励起準位が陽子の運動だけで決まり、中性子が不活性となって安定し励起準位に関与しない状態を指します。このことから、中性子魔法数82は重い中性子過剰核で、消滅せず魔法数のままであることが実証されました。一方、126Pdでは陽子と中性子の両方が励起準位に関わるため、励起準位構造が複雑になり“特別な状態”にはなりませんでした。

この成果は、理研のRIBFおよびRI寿命測定装置と、EOCが管理する大球形ゲルマニウム半導体検出器を組み合わせた国際大型共同核分光実験プロジェクト「EURICA(ユーリカ)」で実現した成果であり、同装置を用いる希少核種の核分光研究に弾みをつけるものです。今後、研究を進めていく上で、重い中性子過剰核の魔法数がどのように成立するのか、あるいは魔法数はどう変化するのか、などについての理解につながると期待できます。

北京航空航天大学
物理科学与核能工程学院
招聘教授 渡邉 寛 (わたなべ ひろし)

独立行政法人理化学研究所
仁科加速器研究センター 櫻井RI物理研究室
先任研究員 西村 俊二 (にしむら しゅんじ)
主任研究員 櫻井 博儀 (さくらい ひろよし)