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2013年11月20日

理化学研究所

消える「魔法数」28

-重いマグネシウム同位体の原子核は全て大きく変形-

核図表

核図表と原子核の魔法数

原子の中心には核子(陽子と中性子)で構成される原子核があります。この核子の数によって原子核の性質が変化し、さまざまな特徴を示します。原子核が比較的安定になる核子の数のことを「魔法数」と呼びます。魔法数のときに原子核は球形になり、硬くなることが知られています。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、物理学上の基本的な法則として、約半世紀にわたって普遍的な定数と考えられてきました。しかし、近年、理研をはじめとする放射性同位元素(RI)ビームを用いた研究によって「魔法数は不変」という定説を覆すデータが次々と得られています。例えば、シリコン(Si:陽子数14)の場合、中性子数20は魔法数ですが、シリコンより陽子が2つ少ないマグネシウム(Mg)の場合、この魔法数は消滅します。さらに、重いSi同位体では魔法数の28が消滅することが分かっているため、Mgでも消滅すると予測されていました。

理研の研究者を中心とした国際共同研究グループは、陽子に比べて中性子が非常に多いMg同位体で魔法数28が存在しているかどうかを調べるため、「集団性」という性質に注目しました。集団性とは、多数の核子が集まったときに、核子の間に働く力を単純に足し合わせただけでは起こらなかった回転運動や振動が生じる、原子核が持つ特有の性質です。魔法数を持つ原子核は球形をしていますが、魔法数を持たない場合は原子核全体(集団)が葉巻やみかんのように回転楕円体に変形します。魔法数を持っているかどうかは、原子核の2つの励起準位のエネルギーの比を求めることで判断できます。過去の研究から「2」よりも小さい原子核の場合は魔法数を持ち球形になり、「3」程度では魔法数を持たず原子核が変形することが分かっています。

そこで国際共同研究グループは、理研の重イオン加速器施設「RIBF」を使い、マグネシウム-38(38Mg:陽子数12、中性子数26)の励起状態を生成、2つの励起準位を観測しました。その結果、エネルギー値の比は3.07でした。これは、38Mgの原子核が球形ではなく大きな回転楕円体に変形していることを示しています。同時に行った測定で、中性子数22、24のときも、ほぼ同じ大きさで原子核が変形していることが分りました。もし、中性子数28が魔法数の場合は、エネルギー比が2程度になるはずで、38Mgと中性子数が近い中性子数28の40Mgも魔法数を持たない原子核であることが判明しました。つまり、魔法数28が消滅していることになります。

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
研究員 ピーター ドーネンバル
主任研究員 櫻井 博儀 (さくらい ひろよし)