Уран — тяжелый металл, найденный в земной коре. В нем 26 известных изотопов, все из которых радиоактивны. В естественном состоянии существуют только уран-238, 235 и 234 (последний присутствует в незначительных количествах). Все изотопы урана имеют одинаковое количество протонов (92), но отличаются числом нейтронов: самый распространенный изотоп 238U имеет 146 нейтронов. Новый изотоп, созданный группой китайских исследователей, имеет только 122 нейтрона, таким образом, они создали изотоп 214 (214U).
Чтобы получить этот никогда ранее не производимый изотоп, физики использовали процесс, который включал в себя обработку образцов вольфрама мощными пучками аргона и кальция до тех пор, пока атомы не сольются вместе. Атомы урана-214, полученные в результате реакции, затем удаляли с помощью магнитного устройства (сепаратора).
Чрезвычайно короткий период полураспада
Осуществляемая реакция представляла собой реакцию «термоядерного испарения», которая включала подачу луча аргона (36Ar) в вольфрамовую мишень (182W) и отслеживание продуктов термоядерного синтеза. Конечно, это не так просто, как кажется; «недостаточно» бомбардировать вольфрам для успешной реакции, и выход на самом деле особенно низок: «Производство этих атомов очень сложно, потому что не все столкновения могут дать то, что мы хотим. От 10 до 18 частиц пучка было доставлено для столкновения с мишенью, но только два ядра урана-214 были успешно произведены и разделены«, — говорит Чжиюань Чжан, руководивший .
Таким образом, группа идентифицировала два легких изотопа урана, ранее обнаруженных — Уран-216 и Уран-218, а также новый изотоп Уран-214. Природный уран содержит от 142 до 146 нейтронов; недавно обнаруженный изотоп имеет только 122, что на один меньше, чем ранее полученный рекорд с созданием изотопа 215.
После того как эти ядра 214U были получены, исследователи наблюдали за их распадом, чтобы определить их период полураспада — время, необходимое для естественного распада половины изотопных ядер, изначально присутствующих. Это примерно 0,52 миллисекунды (мс). Для сравнения, уран-238, который является наиболее стабильным изотопом, имеет период полураспада, близкий к возрасту Земли (примерно 4,5 миллиарда лет)!
Группа впоследствии провела аналогичные эксперименты с двумя «соседними» изотопами, ураном-216 и ураном-218, и обнаружила, что их период полураспада составляет примерно 2,25 мс и 0,65 мс соответственно. Они также проанализировали, как эти изотопы распадаются, и обнаружили, что уран-214 и уран-216 подвергаются альфа-распаду. Альфа, бета и гамма-излучение соответствуют различным механизмам распада; в случае альфа-излучения радиоактивное ядро теряет два протона и два нейтрона (из-за выброса альфа-частицы).
На пути к лучшему пониманию альфа-распада
Физиков так интересуют эти «легкие» изотопы урана, потому что их количество нейтронов близко к тому, что ученые считают «магическим числом». В ядерной физике это соответствует количеству протонов или нейтронов, для которых атомное ядро особенно устойчиво; семь экспериментально подтвержденных магических чисел: 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126. Обратите внимание, что ядра, которые имеют количество нейтронов и количество протонов, равное одному из магических чисел, называются «дважды магическими» и оказываются особенно устойчивыми (42He, 168O и т. д.).
Имея 122 нейтрона, уран-214 довольно близко к магическому числу 126, поэтому он может представлять интерес для изучения ядерной стабильности. Магические изотопы необычайно стабильны, и наблюдение за их ближайшими соседями дает возможность исследовать влияние ядерной структуры на процессы радиоактивного распада. Учитывая периоды полураспада изотопов 214, 216 и 218 (0,5 мс, 2,25 мс и 0,65 мс соответственно), их альфа-распад, по-видимому, происходит относительно легко по сравнению с другими изотопами урана.
Это означает, что взаимодействия между протонами и нейтронами в ядрах этих атомов, вероятно, более мощные, чем в других радиоактивных ядрах. «Наше открытие может стать первым экспериментальным доказательством того, что сильное протон-нейтронное взаимодействие может играть важную роль в альфа-распаде в [тяжелых ядрах]«, — говорит Чжан. Это связано с тем, что эти более сильные взаимодействия, вероятно, влияют на образование альфа-частиц в ядре, сложной квантовой проблеме с несколькими телами, детали которой до сих пор неизвестны. Исследования команды Чжана, возможно, позволят поднять завесу над процессом образования этих частиц.