O. B. Tarasov et al./ Physical Review Letters, 2018
Физики впервые синтезировали самый тяжелый на сегодняшний день изотоп кальция 60Ca, ядро которого содержит 20 протонов и 40 нейтронов. Также впервые были получены самые тяжелые изотопы для других элементов: фосфора, серы, хлора, аргона, калия и скандия. Полученные результаты подтвердили теоретические модели, которые существуют для границы стабильности атомных ядер. Это означает, что, вероятнее всего, для кальция возможно образование и более тяжелых ядер, вплоть до 70Ca, пишут ученые в Physical Review Letters.
Максимальное количество нейтронов в ядре каждого элемента, при котором это ядро будет жить хоть какое-то время, определяется силами, связывающими нуклоны между собой. Для описания устойчивых конфигураций атомных ядер существует несколько теоретических моделей, ни одна из которых на сегодняшний день не может однозначно определить границу нуклонной устойчивости. Самые устойчивые нуклонные конфигурации часто описываются с использованием магических чисел, которые соответствуют полностью заполненным оболочкам нейтронов или протонов.
Например, ядро кальция интересно тем, что число протонов в нем всегда магическое — 20, а при определенных числах нейтронов ядро кальция становится «дважды магическим». Для этого в ядре должно быть 20, 28, 32 или 34 нейтрона. Так, в природе чаще всего встречается изотоп кальция, который имеет массовое число 40 — с 20 протонами и 20 нейтронами, самый тяжелый из устойчивых изотопов кальция содержит 28 нейтронов. У радиоактивных изотопов кальция с коротким периодом полураспада, число нейтронов в ядре может быть и больше: например, существование устойчивых ядер предполагалось для ядер с 40 и 50 нейтронами, однако получить их экспериментально не удавалось.
Каждое открытие самых легких и самых тяжелых изотопов для отдельных элементов позволяет сместить границу нуклонной стабильности и подтвердить или опровергнуть существующие теоретические модели. Группа физиков из России, США, и Японии под руководством Олега Тарасова (O. B. Tarasov) из Университета штата Мичиган предложили новый метод синтеза тяжелых изотопов с большим количеством нейтронов. Для этого ученые облучали вращающуюся мишень из бериллия 9Be пучком ядер цинка 70Zn с энергией 345 электронвольт. Образующиеся при этом частицы фиксировались с помощью спектрометра для идентификации частиц.
Общая диаграмма зарегистрированных в ходе эксперимента ядер: по вертикальной оси приведен номер элемента, по горизонтальной — отношение массового числа к заряду ядра. Красной линией обозначена граница самых тяжелых изотопов до этого исследования
O. B. Tarasov et al./ Physical Review Letters, 2018
В результате ученым зарегистрировали восемь новых изотопов, которые не удавалось получить ранее. Все эти изотопы (фосфор 47P, сера 49S, хлор 52Cl, аргон 54Ar, кали 57K, кальций 59,60Ca и скандий 62Sc) оказались самыми тяжелыми из известных на сегодняшний день для своих элементов. Также было зарегистрировано одно ядро 59K, однако эти данные пока нельзя считать статистически значимыми. Самым важным из синтезированных ядер ученые называют именно изотоп кальция 60Ca, устойчивость которого косвенно подтверждает «магичность» числа нейтронов 40. Время жизни такого изотопа составляет несколько тысячных секунды.
По словам авторов работы, полученные результаты позволили подтвердить некоторые из теоретических моделей, которые предполагают, что для кальция возможно образование и более тяжелых ядер, вплоть до 70Ca.
Стоит отметить, что интерес вызывают не только изотопы с большим количеством нейтронов, но нейтрон-дефицитные ядра. Так, в 2015 году физикам удалось синтезировать сразу несколько изотопов, которые, наоборот, были самыми легкими из известных для урана, нептуния, берклия и америция. Эти ядерные структуры, которые находятся на границе нуклонной стабильности могут помочь в развитии теоретических моделей ядра атома.
Александр Дубов