很多人应该对下面这张经典核物理图片有印象:随着原子量的增加,核子(质子或中子)间的平均结合能先增大后减小。
除了整体上先增后减的趋势,也有些核素比较反常。例如He-4的平均结合能反而比Li-6高出一大截。这是因为He-4是个双幻数核素[1],具有满壳层的质子和中子,导致He-4特别稳定。
原子核中的核子(中子或质子)的分布其实跟核外电子有点类似。核子也会像电子一样,从低能级到高能级,一壳层一壳层的填充。
元素的最外层电子被填满时(稀有气体),其化学稳定性就会很高。类似的,当中子或质子数目正好填满一个壳层的时候,该核素就会呈现出较高的稳定性(较高的平均结合能)。
这类特别稳定的核素中的质子或中子数,就称为幻数(magic number)
在核壳层模型[2]中,最低能级可以填充2个核子(正反自旋各一个),也就是说2是一个幻数。而He-4正好有2个质子和2个中子,质子数和中子数都是幻数,这就导致He-4特别稳定,平均结合能超出近邻核素一大截。
次低能级可以填充6个核子,因此8也是个幻数(加上最低能级的2个)。也就是说O-16(8中子+8质子)也是个双幻数核素,因此上图中O-16处也存在一个峰。
除了He-4和O-16外,上图中C-12(6中子+6质子)看起来也很稳定,因此很多人也把6当作一个幻数。不过在核壳层模型中,6对应的并不是满壳层结构,其稳定性也存在一定的争议。最近的一篇文献[3]认为这一点可能与核子的自旋-轨道耦合相关: