Натрий на стероидах: прорыв в ядерной физике считался невозможным

 Физики-ядерщики создали самую богатую нейтронами форму натрия, которая поможет узнать больше о сложном мире ядер.

Физики-ядерщики из RIKEN успешно создали чрезвычайно нейтронно-богатый изотоп натрия, 39Na, существование которого ранее предсказывалось многими моделями атомных ядер. Это открытие имеет большое значение для нашего понимания структуры атомных ядер и астрофизических процессов, которые формируют более тяжелые элементы на Земле. ( Фото: scitechdaily.com)

Физики RIKEN создали изотоп натрия 39Na с исключительно высоким нейтронным потенциалом, который ранее считался невозможным. Этот прорыв имеет большое значение для понимания структуры атомных ядер и создания более тяжелых элементов Земли.

В чрезвычайно богатой нейтронами форме элемента натрий, который, как предсказывают многие модели атомных ядер, не должен существовать, впервые был создан физиками-ядерщиками из RIKEN[1].

Если вы сделаете поваренную соль из этой сверхтяжелой версии натрия — и наиболее богатого нейтронами изотопа хлора, другого компонента соли — она будет на вкус и вести себя как обычная соль, за исключением того, что она будет примерно в 1,6 раза тяжелее, говорит физик-ядерщик Тосиюки. Кубо.

Но гораздо больше, чем научное любопытство, это открытие имеет важные последствия для теорий о структуре атомных ядер. Это знание, в свою очередь, дает нам понимание астрофизических процессов, которые формируют более тяжелые элементы Земли.

С точки зрения ядерной теории открытие дает жизненно важный ориентир для настройки моделей нейтронно-избыточных ядер и для оценки их точности, объясняет Кубо. Теоретические исследования нейтронно-избыточных ядер включают чрезвычайно сложные расчеты, и физики-теоретики до сих пор могли точно моделировать только более стабильные ядра с небольшим количеством нейтронов. Это открытие может помочь уточнить расчеты для ядер с большим количеством нейтронов.

Это, в свою очередь, влияет на наше понимание происхождения более тяжелых элементов. Например, считается, что ядерно-астрофизические процессы, которые создают тяжелые металлы на Земле, являются результатом огромного количества энергии, произведенной слиянием двух нейтронных звезд или столкновением нейтронных звезд и черных дыр. Высвобожденные газ и пыль в конечном итоге способствуют образованию редких материалов планет, таких как Земля. Однако точные процессы, которые производят тяжелые металлы, уже давно обсуждаются.

Новый квадрат на капельной линии: каждый квадрат указывает на изотоп, при этом количество протонов увеличивается по мере того, как квадраты перемещаются вертикально вверх, а количество нейтронов увеличивается по горизонтали вправо. Известный предел существования, нейтронная «линия капель», обозначена толстой синей линией. Натрий-39 (39Na), выделенный красным, имеет 11 протонов и 28 нейтронов, что дает ему массовое число 39. Его недавнее открытие исследователями RIKEN показало, что он добавлен к капельной линии. (Фото: scitechdaily.com)

Упаковка нейтронов в натрий

Каждый из 118 известных элементов имеет фиксированное количество протонов (11 в случае натрия), но количество нейтронов в его ядрах может варьироваться, отмечает Кубо. Единственная стабильная форма натрия содержит 12 нейтронов, в то время как недавно открытая форма содержит более чем в два раза 28 нейтронов, что на два нейтрона больше, чем у предыдущего рекордсмена для самого богатого нейтронами изотопа натрия, 37Na, который был открыт более 20 лет назад.

Поскольку нейтроны электрически нейтральны, они не влияют на электроны атома и, следовательно, не влияют на химический состав элемента. Таким образом, атомы одного и того же элемента, содержащие разное количество нейтронов, известные как изотопы, химически неразличимы.

Толчком к поиску новой формы натрия (названной 39Na, потому что его ядро содержит 39 нейтронов и протонов) послужил предыдущий эксперимент, когда группа под руководством Кубо из RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science наткнулась на то, что казалось одно ядро 39Na. «Мы были очень удивлены этим событием, — вспоминает Кубо. «Итак, мы решили вернуться к поиску 39Na в нашем нынешнем эксперименте».

В последнем эксперименте они поставили существование 39Na вне всякого сомнения, создав за два дня девять ядер изотопа на заводе RIKEN по производству пучков радиоактивных изотопов — одном из примерно трех ядерных объектов в мире, способных в настоящее время производить такие ядра. .

Охотник за изотопами

Это далеко не первый раз, когда Кубо помогает создать новый изотоп за свою четырехдесятилетнюю карьеру. «На самом деле я участвовал в открытиях примерно 200 новых изотопов», — говорит он. «Мне очень нравится создавать и наблюдать за тем, чего никто раньше не видел».

Но открытие 39Na имеет для него особое значение, не в последнюю очередь потому, что многие ядерные модели предсказывают, что его не должно существовать. «Открытие оказывает значительное влияние на модели ядерной массы и ядерные теории, которые обращаются к краю ядерной стабильности, потому что оно обеспечивает ключевую точку отсчета для их проверки», — объясняет Кубо. Например, Кубо отмечает, что модель, разработанная японской командой в 2020 году, правильно предсказала существование 39Na, а ее предсказания для других изотопов оказались точными [2], что повысило ее достоверность.

Отслеживание капельной линии

Одна из причин важности этого открытия заключается в том, что 39Na вполне может быть самой богатой нейтронами версией натрия, которую можно произвести. Физики-ядерщики особенно заинтересованы в определении максимального количества нейтронов, которое элемент может иметь до того, как он начнет утечку нейтронов — количество, известное как линия нейтронного стока, если нанести ее на таблицу ядер. Расположение этого предела обеспечивает ключевую точку отсчета не только для ядерных теорий, но и для моделей ядерной массы, которые играют ключевую роль в теориях нуклеосинтеза.

Но чрезвычайно трудно установить линию капельности для элемента — физикам-ядерщикам пока удалось определить ее только до десятого элемента таблицы Менделеева, неона, а это значит, что им предстоит пройти еще 108 элементов.

Одна из причин, по которой трудно измерить линию капельного полива, заключается в крошечных возможностях, связанных с созданием ядер, близких к пределам стабильности. Еще одна трудность заключается в том, что крайне сложно исключить существование других ядер с еще большим количеством нейтронов. Кубо говорит, что возможно получить 41Na, и в этом случае он станет капельной линией для натрия, хотя он отмечает, что японская модель 2020 года предсказывает, что 39Na будет капельной линией.

Затем Кубо и его команда намерены попытаться экспериментально определить капельную линию магния — на один элемент выше, чем натрий. Они также хотят исследовать структуру 39Na. «Мы хотели бы непосредственно изучить структуру ядра, которая позволяет существовать 39Na», — объясняет Кубо.

Источник