大家可能都有看過，把原子描繪成太陽系一般模樣的圖片：原子核就好像太陽一樣位於中間，而電子就像各個行星一般，在不同的軌道上繞着中心的原子核運轉。這樣的模型較好地描述了原子的特性，反映出我們對原子已經有了一定程度的了解。那麼我們對原子中心的原子核的認識又如何呢？原來太陽系一般模樣的模型，也可以用來形容原子核的狀態。為了探索原子核的特性，科學家們亦一直在研究不同大小的原子核：比如說氧-28這種原子核一直被猜想為「雙重穩定」，但近日實驗的觀察結果又好像不是如此。氧-28原子核的故事究竟是怎樣的呢？今次就和各位說一說。
「神奇數字」讓中子變穩定
大家應該已經聽過，原子核由兩種粒子組成：質子（proton）和中子（neutron）。質子帶正電荷，而它們在原子核中的數量決定了究竟是什麼物質：例如氧原子核跟碳原子核之所以不同，就是因為前者有8顆質子，而後者只有6顆。中子跟質子有點兒像，略重一點，不過卻不帶電荷。
原子核中中子的多寡並不影響物料的種類：比如說碳-14和碳-12同樣也是碳材料，因此兩者的原子核都有6個質子；不過碳-14的原子核中有8顆中子（也就是說這種原子核共由14個粒子組成），而碳-12的原子核只有6顆中子，所以比碳-14的輕。這些屬於同一種物料但中子數量不同的原子核（碳-12和碳-14就是例子），我們稱為「同位素」。
不過不是每一種原子核都是穩定的：這究竟是為什麼？之前提過「太陽系一般模樣的」原子模型，又稱為殼層模型，當用於原子之上的時候，描繪原子核被一層一層的軌道包圍，電子就在這些軌道上繞着原子核運轉。每條軌道可以容納的電子有限，雖然不同的軌道可以容納的電子數目各異。當最外層軌道上的電子到達上限，就無法「收容」更多的電子，因此也不能和其他原子發生作用。換個角度來看，這些原子就顯得特別的穩定。
相同的思路，也可應用到原子核之上，不過這次我們要分別考慮質子和中子。原子核的殼層模型指出，我們可以想像原子核的中心被「質子軌道」和「中子軌道」包圍着，而原子核中的質子跟中子就在這些分別的軌道上。這些軌道可以容納的粒子也是有限的，因此當原子核中的質子達到某個特定數目，最外層的「質子軌道」就被填滿了，不容易發生其他作用，那麼這些質子就會變得穩定；同樣道理，如果原子核中的中子是某些特別的數目，它們也應該會處於穩定的狀態。這些能展示出穩定性的質子或中子數目（例如2、8、20、28），就被科學家們稱為「神奇數字」。
原子核中的質子和中子數量可以不同，因而也就有了「雙重穩定」或「雙重神奇」的說法：質子和中子的數量同時也是神奇數字，那麼這樣的原子核就應該特別的穩定！氧-28的原子核由8顆質子和20顆中子組成，正好就是一個這樣的例子。不過日本理化學研究所（RIKEN）上月發表他們首個氧-28的研究結果，發現氧-28原子核會迅速地分裂，反而只有16個中子的氧-24則展示穩定的表現，不禁令人懷疑，在中子為主的環境下，20是否真的是個神奇數字？
小結
我們在十九世紀末期開始核子的研究，不算很久，但時間也不短了。不過時至今日，我們對原子核還有許多不解的地方，需要我們繼續努力探索，希望因此能為未來帶來更多改變世界的結果。
◆杜子航 教育工作者
早年學習理工科目，一直致力推動科學教育與科普工作，近年開始關注電腦發展對社會的影響。
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