Ученые в Японии стали первыми, кто наблюдал сверхтяжелые изотопы кислорода кислород-27 (27О) и кислород-28 (28О). Последний упаковывает в свое ядро колоссальные 20 нейтронов наряду с восемью протонами и был кандидатом на статус «двойной магии», то есть считался особенно стабильным. Однако команда Токийского технологического института и RIKEN обнаружила, что это не так. Это открытие должно помочь нам улучшить современные теории ядерной структуры и может иметь значение для физики нейтронных звезд.
 |
| Завод по производству изотопов: Завод по производству пучков радиоактивных изотопов (RIBF) в RIKEN в Вако, Япония, предоставил ионный луч, используемый для создания первых атомов кислорода-28. (Фото: physicsworld.com) |
Когда физики-ядерщики говорят о магических числах, они не имеют в виду цифры, существующие в мире волшебников и колдунов. Они имеют в виду ситуацию, в которой нуклоны атома (протоны и нейтроны) расположены таким образом, что его ядро становится необычайно стабильным. В частности, маловероятно, что атомы с 2, 8, 20, 28, 50, 82 или 126 протонами или нейтронами претерпят потери энергии из-за радиоактивного распада.
Такаси Накамура, физик из Токийского технологического института и один из авторов статьи об этом открытии в журнале Nature, объясняет концепцию магического числа, используя модель ядерной оболочки. «Можно рассматривать ядро, состоящее из нескольких многослойных оболочек», — говорит он. «Вы можете представить это как лук. Каждая оболочка имеет определенное количество «мест». Если места в одной оболочке заполнены нейтронами (или протонами), то оболочка «закрыта».
Источник стабильности
Накамура приводит пример 16O, у которого восемь нейтронов и восемь протонов. Два нейтрона заполняют его первую оболочку, а следующие шесть нейтронов заполняют вторую оболочку. Оболочки протонов и нейтронов действуют независимо друг от друга, поэтому та же процедура укладки внутри оболочек работает и для протонов в 16O.
Когда и нейтроны, и протоны являются магическими числами, как в случае 16O, ядро называют «двойно магическим». Такая ситуация крайне редка. Среди встречающихся в природе ядер, помимо 16O, мы знаем только четыре других, которые соответствуют критериям: гелий-4, кальций-40, кальций-48 и свинец-208.
В экзотических ядрах, которые либо созданы искусственно, либо существуют очень короткое время, список также невелик: всего семь кандидатов на двойной магический статус. Изотоп кислорода 28O был последним кандидатом, который был протестирован.
Четырехнейтронное измерение
Чтобы выяснить, является ли 28O вдвойне волшебным, Накамуре и его команде сначала пришлось его создать. Для этого они работали с исследователями на заводе по производству радиоактивных изотопов RIKEN в Вако, на окраине Токио. Исследователи ускорили луч атомов кальция-48 (48Ca) до 70% скорости света и направили его на толстую мишень из бериллия. Ядра бериллия действуют как крошечные ножи, отбирая протоны и нейтроны у 48Ca, превращая его во фтор-29 (29F). На последнем этапе 29F, который все еще движется со скоростью 60% скорости света, сталкивается с протоном. В результате столкновения протон вылетает из ядра, оставляя 28O.
По словам Накамуры, обнаружение вновь созданных 28O и 27O было достижением, поскольку оно включало наблюдение за их распадом на 24O и четыре или три нейтрона соответственно. «Обнаружение нейтронов при такой энергии очень сложно», — объясняет он. «До этой публикации измерение до двух нейтронов было пределом. Я знаю один исключительный пример трехнейтронного измерения. Но я никогда не видел совпадения измерений с четырьмя нейтронами».
Никакого волшебства
У команды были веские теоретические основания ожидать, что 28O будет вдвойне волшебным. «У 28O восемь протонов и 20 нейтронов», — объясняет Накамура. «У 20 нейтронов есть три оболочки: первая оболочка имеет два места, вторая оболочка — шесть мест, а третья оболочка — 12 мест. При этом оболочки замыкаются 20 нейтронами».
Однако это было не то, что наблюдали исследователи. Хотя места протонов были заполнены, как и ожидалось, энергетическая щель между двумя последними орбиталями нейтронной оболочки была слабой, что позволяло смешиваться между этими двумя оболочками. «Подобная эрозия оболочки иногда случается с ядрами, богатыми нейтронами, но для 28O это совсем не очевидно, поскольку протоны по-прежнему занимают обычные места из восьми», — говорит Накамура.
Однако обнаружить, что 28O не хватает двойной магии, не является провалом. Фактически, Накамура описывает это как «важный ориентир» в современной ядерной теории. Он добавляет, что результат должен позволить улучшить наши теории об изотопах с большими отношениями нейтрон/протон. Исследование также может помочь нам оценить неизвестные ядерные взаимодействия, такие как трехнейтронные силы, которые важны для оценки свойств нейтронных звезд.
No comments:
Post a Comment