为什么原子核比结合能在轻元素区域（氢核到锂核这一段）波动较大？ 第1页

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：

参考

1. ^ https://en.wikipedia.org/wiki/Magic_number_(physics)#Double_magic
2. ^ https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_shell_model
3. ^Tran, D. T., et al. "Evidence for prevalent Z= 6 magic number in neutron-rich carbon isotopes." Nature communications 9.1 (2018): 1-7. https://www.nature.com/articles/s41467-018-04024-y