В Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) началось новое исследование редкого изотопа олова — олова-100, которое характеризуется наличием 50 протонов и 50 нейтронов. Уникальная структура этого изотопа обуславливает стабильность его ядра, что делает его объектом пристального внимания. Олово-100 может быть синтезировано исключительно в лабораторных условиях, поскольку в природе оно отсутствует и быстро распадается, занимая меньше секунды.
Атомы имеют структуру, включающую ядро и электронную оболочку. Ядро содержит положительно заряженные протоны и нейтральные нейтроны. Один элемент может обладать несколькими изотопами, представляющими собой разновидности, отличающиеся количеством нейтронов в ядре. Так, кислород известен 18 изотопами: все они содержат восемь протонов, в то время как число нейтронов изменяется от двух до 20.
В ядерной физике числа протонов и нейтронов, равные 2, 8, 20, 28, 50 и 82, называют «магическими». Ядра с такими характеристиками имеют полностью заполненные оболочки и отличаются повышенной стабильностью. Благодаря этому они проявляют устойчивость к деформации и характеризуются высокой симметрией.
Если в ядре одновременно находятся магические числа нуклонов и протонов, а также нейтронов, то такой изотоп классифицируется как «дважды магический». Он имеет особенно прочную структуру, которую исследователи изучают для проверки теорий ядерной физики.
Низкая стабильность и трудности, связанные с изготовлением олово-100, препятствовали его изучению на протяжении длительного периода. Ученые-физики не могли с определенностью установить, проявляет ли этот изотоп «двойную магию». Кроме того, существовала нехватка информации о размерах и форме ядер, близких к 100Sn, чтобы подтвердить его структуру.
В Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) накоплено достаточно информации для подтверждения двойной магической природы ядра олова-100. Полученные данные позволяют с высокой степенью вероятности утверждать, что 100Sn имеет двойное магическое ядро с 50 протонами и 50 нейтронами. Эти выводы открывают новые перспективы для ядерной физики, позволяя создавать более точные теоретические модели.
Для углубленного изучения исследователи использовали изотопы индия. Эти изотопы содержат на один протон меньше, чем олово-100. Это сделало индий ценной лабораторной моделью для изучения изменений ядерной структуры вблизи магического устойчивого состояния олова-100. Благодаря разработке высокочувствительных методов лазерной спектроскопии ученые смогли провести необходимые измерения.
Теоретическая ядерная физика также развивается. Новейшие модели позволяют все более точно описывать структуру тяжелых изотопов. Большой объем экспериментальных данных об электромагнитных свойствах 100Sn помог не только подтвердить некоторые аспекты существующих теорий, но и установить новый стандарт для дальнейших исследований и моделирования.
«Благодаря эксперименту коллинеарной резонансной ионизационной спектроскопии (CRIS), проведенному на CERN-ISOLDE, и производству экзотических изотопов индия на этой установке, мы смогли провести точную лазерную спектроскопию атомных энергетических уровней индия, что позволяет получить данные об их ядерных электромагнитных свойствах», — пояснил профессор Рональд Гарсия Руис ( Ronald Garcia Ruiz).
Данные, полученные в ходе исследования, подтвердили, что олово-100 обладает двойственной магической природой, предсказанную теоретическими моделями. Для более глубокого понимания структуры этого изотопа первый автор исследования доктор Йонас Картхейн ( Jonas Karthein) в ходе проведенных расчетов строение изотопа было уточнено, а также подтверждено его существование.
«Полученные нами данные предоставляют веские свидетельства двойственной магической природы 100Sn, полученные данные предоставляют важные экспериментальные сведения, необходимые для изучения «островов стабильности» изотопов, и позволяют разрешить противоречия, возникшие в результате спектроскопических исследований, проведенных в различных лабораториях по всему миру. Благодаря своей простой структуре, эти ядерные системы представляют собой удобную модель для углубления теоретических знаний об атомных ядрах, — отметил доктор Картхейн.
Представленные результаты позволят исследователям создавать более совершенные модели и тестировать актуальные теории. Планируется, что будущие исследования позволят проводить еще более точные измерения нестабильных изотопов, а это поможет глубже понять структуру и свойства нестабильных изотопов.
Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.