Физики впервые за 20 лет передвинули границу нейтронной стабильности ядер, то есть нашли такие изотопы элементов, при добавлении нового нейтрона к которым ядра перестают быть связанными системами частиц. В новых экспериментах удалось обнаружить предельные изотопы неона и фтора, ими оказались фтор-31 и неон-34, пишут авторы в журнале Physical Review Letters.
Атомные ядра состоят из заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Однако далеко не любая комбинация соответствует даже относительно стабильному ядру. Известно, что если построить диаграмму, по осям которой отложить количество протонов и нейтронов в ядре, таблицу нуклидов, то стабильные ядра выстроятся вдоль одной линии, то есть для них характерна примерно одинаковая пропорция протонов и нейтронов.
Также ученые давно выяснили, что некоторые количества нейтронов и протонов значительно чаще встречаются среди стабильных ядер — они получили название «магических чисел». Однако полноценной теории устойчивости ядер пока нет, поэтому физики стараются собрать как можно больше эмпирических данных, которые помогут создать такую теорию.
Одно из экспериментальных направлений — это определение границ стабильности, то есть максимального количества нейтронов или протонов в ядре, после которого оно перестает быть связанной системой нуклонов. До недавнего времени нейтронная граница стабильности была известна лишь для первых восьми ячеек таблицы Менделеева, то есть до кислорода, причем последний раз ее уточняли примерно 20 лет назад. В то же время протонный аналог изучен гораздо лучше по ряду причин, в том числе потому, что она расположена гораздо ближе к устойчивым нуклидам.
Физики из Японии, Германии и США под руководством Тосиюки Кубо (Toshiyuki Kubo) из института RIKEN сделали новое уточнение границы нейтронной стабильности, определив предельные изотопы неона и фтора. Опыты авторов указывают, что ими являются фтор-31 с 22 нейтронами и неон-34 с 24 нейтронами. Также исследователи экспериментировали с ядрами натрия, но однозначных выводов пока сделать нельзя: авторам ни разу не удалось наблюдать натрий-38 при ожидаемом количестве в пять штук, но при этом был зафиксирован один случай появления натрия-39, что указывает на его возможную связность.
Эксперименты состояли в направлении пучка атомов кальция-48 с энергией в 345 мегаэлектронвольт на нуклон на бериллиевую мишень толщиной в 20 миллиметров. Взаимодействие приводило к фрагментации ядер кальция, а измерительные приборы определяли массу и заряд получившихся осколков, отбрасывая ненужные. До данной работы наиболее тяжелыми известными изотопами были фтор-31, неон-34 и натрий-37, поэтому авторы исследования искали события с двумя следующими изотопами каждого элемента.
Полученные результаты уже плохо согласуются с существующими теоретическими предсказаниями. В то время как есть модели, в которых правильно объясняется предельный изотоп неона, в них ожидаемое предельное ядро фтора также содержит 24 нейтрона, а не 22. Эти данные, а также продолжающиеся исследования в Японии, США и других странах позволят определить границу стабильности для еще более тяжелых ядер, что значительно продвинет понимание физики многих частиц с сильным взаимодействием.
Физики продолжают открывать новые изотопы — недавно еще один былобнаружен у урана, а также самый тяжелый из известных у кальция. В честь присвоения официальных наименований четырем сверхтяжелым элементам мы выпустили интерактивный материал «Алхимии отцовой пережитки».