Кислород-28, недавно обнаруженный изотоп, переворачивает устоявшиеся теории в ядерной физике. Вопреки ожиданиям, этот богатый нейтронами изотоп быстро распадается, что ставит под сомнение понятие «магических чисел». Это наблюдение, сделанное группой специалистов из Токийского технологического института, позволяет предположить, что наши представления об атомных ядрах, возможно, нуждаются в пересмотре, что открывает путь к новым направлениям исследований.
Ядерная физика, отрасль науки, изучающая атомные ядра и их составные части, была потрясена неожиданным открытием. Когда речь идет об изотопах, некоторые принципы считаются само собой разумеющимися. Ядро атома состоит из нуклонов, которые, в свою очередь, состоят из протонов и нейтронов. Кислород, например, всегда имеет 8 протонов, но число нейтронов может меняться, что приводит к появлению различных изотопов. До недавнего времени наибольшее число нейтронов, наблюдавшееся в изотопе кислорода, составляло 18, для кислорода-26.
Однако группа специалистов под руководством физика-ядерщика Йосуке Кондо из Токийского технологического института обнаружила два ранее не наблюдавшихся изотопа кислорода: кислород-27 и кислород-28, содержащие 19 и 20 нейтронов соответственно. Это открытие ставит под сомнение наши представления о «магических числах» частиц в ядре атома. Это не просто академический курьез, оно может перевернуть наше представление об атомных ядрах и силах, которые ими управляют. Работа опубликована в журнале .
Открытие изотопов
Процесс открытия проходил на заводе по производству радиоактивных изотопов RIKEN в Японии, современном объекте, специализирующемся на производстве и изучении радиоактивных изотопов. Там команда использовала циклотронный ускоритель — машину, способную ускорять частицы до экстремальных скоростей.
Для получения новых изотопов кислорода команда сначала направила пучок изотопов кальция-48 на бериллиевую мишень. В результате столкновения образовалось множество более легких атомов, в том числе фтор-29 — изотоп фтора с 9 протонами и 20 нейтронами. Затем этот фтор-29 был выделен и подвергнут бомбардировке мишенью из жидкого водорода. Цель — выбить протон из фтора-29, превратив его в кислород-28.
Нетипичное поведение «волшебного» изотопа
Кислород-28 — изотоп, вызвавший большой интерес в научном сообществе. Его особенность заключается в составе: он имеет 8 протонов и 20 нейтронов. В мире ядерной физики определенные числа нуклонов, будь то протоны или нейтроны, называют «магическими» — термин, введенный физиком Юджином Вигнером в конце 1950-х годов. Эти числа связаны с особой стабильностью атомного ядра. Так, предполагается, что ядро с «магическим» числом протонов или нейтронов более стабильно, чем другие. Последние имеют более высокую энергию связи.
В случае кислорода магическим числом считается 8 протонов. Аналогично, число 20 для нейтронов также считается таковым, образуя полную «оболочку», как пишут авторы в пресс-релизе. Следовательно, кислород-28 с его 8 протонами и 20 нейтронами теоретически должен быть очень стабильным. Однако наблюдения показали обратное.
Эксперименты, опровергающие теории
Используя установку для получения пучка радиоактивных изотопов в центре RIKEN Nishina, ведущий автор работы Йосуке Кондо и его сотрудники впервые провели эксперименты по наблюдению радиоактивного распада 28O в 24O, измерив прямое излучение четырех несвязанных нейтронов при движении 28O (кислорода-28) вдоль линии ядерной капли — точки, в которой ядро становится несвязанным и пропускает или «просаживает» нейтроны.
Неожиданно этот изотоп распадается за очень короткое время, что противоречит предсказаниям, основанным на теории магических чисел. Используя передовые методы моделирования на суперкомпьютере Summit в ORNL, команда с 98%-ной уверенностью подтвердила, что 28O не является связанным ядром.
Таким образом, это открытие бросило тень на надежность понятия «магическое число». Если изотоп с «магическим» числом протонов и нейтронов не демонстрирует ожидаемой стабильности, означает ли это, что сама теория неполна или нуждается в пересмотре? Этот вопрос находится в центре современных дискуссий в ядерной физике, побуждая исследователей пересматривать и углублять свои знания о ядерной структуре и силах, которые ею управляют.
Загадка, которую еще предстоит разгадать
Данное открытие согласуется с явлением, уже идентифицированным в области ядерной физики, — «инверсионным островом». Это явление возникает, когда нейтроны занимают более высокие энергетические уровни, чем ожидается, что приводит к появлению необычных ядерных конфигураций. Оно наблюдалось для некоторых изотопов других элементов, таких как неон, натрий и магний. В этих случаях нейтронные оболочки, которые, согласно прогнозам, должны быть полными, не являются таковыми, и нейтроны занимают оболочки с более высокой энергией.
Согласованность наблюдений группы Кондо за кислородом-28 и явлением инверсионного острова позволяет предположить, что здесь могут действовать аналогичные механизмы. Это подчеркивает необходимость более глубокого понимания ядерной структуры и сил, определяющих стабильность изотопов.
Чтобы лучше понять эту загадку, необходимы дальнейшие исследования, в частности, зондирование ядра кислорода-28 в возбужденном состоянии. Под возбужденным состоянием понимается состояние, когда нуклоны внутри ядра имеют более высокие энергетические уровни, чем в основном состоянии. Исследуя ядро в этом состоянии, ученые могут получить ценную информацию о распределении нейтронов и внутренней динамике, которая может влиять на стабильность изотопа.
Полученные результаты, хотя и являются неожиданными, открывают путь к лучшему пониманию магических ядер, которые могут быть гораздо сложнее, чем считалось ранее.