Сверхмощная лазерная пушка помогла российским и зарубежным физикам заглянуть внутрь ядер сверхтяжелых элементов и впервые "пощупать" их физические свойства, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Communications.
"Сверхтяжелые элементы не существуют в природе, и мы вырабатываем их в микроскопических количествах – иногда уровень их производства не превышает пары атомов в год. Эти атомы легко распадаются, часто существуя лишь доли секунды. Поэтому наши знания об их устройстве крайне ограничены", — объясняет Марк Хойзе (Mark Huyse) из Института ядерной и радиационной физики в Левене (Бельгия).
За последние годы физики-ядерщики синтезировали несколько десятков элементов, не существующих в природе и обладающих сверхвысокой атомной массой. Многие из них были созданы в стенах Объединенного института ядерных исследований РАН в Дубне, и некоторые из них были названы в честь российских ученых – флеровий (элемент 114) и оганессон (элемент 118), а также в честь самой Дубны (дубний, элемент 105) и Московской области (московий, элемент 115).
Одним из главных следствий их синтеза в России стало открытие так называемого "острова стабильности" – особой области масс и атомных чисел в периодической таблице Менделеева, элементы которой не распадаются неожиданно долгое время. Это открытие заставило ученых предполагать, что могут существовать сверхтяжелые элементы, сохраняющие стабильность на протяжении многих дней или даже миллионов лет.
Сегодня, как рассказывает Хойзе, ученые вынуждены искать этот "остров стабильности" фактически вслепую, "наощупь" создавая новые элементы и изучая их физические и химические свойства. Проблема заключается в том, что у физиков не было способов "пощупать" структуру ядер сверхтяжелых атомов и определить, как "упакованы" протоны и нейтроны внутри них.
Хойзе и его коллеги, в том числе ряд физиков из Московского государственного университета и Петербургского института ядерной физики, нашли способ "просветить" ядро таких атомов фактически в момент их рождения, используя сверхмощные лазеры и особую установку, похожую в некотором роде на реактивный двигатель. "Топливом" для этого двигателя служат сами атомы изучаемого вещества. Они смешиваются с благородными газами, сжимаются в узкий пучок газа и прогоняются на суперзвуковой скорости через специальную камеру, которая обстреливается лазерными лучами.
Когда лазерный луч ударяет по атому, он "выбивает" из него электроны и превращает его в ион, которым, как отмечают ученые, гораздо проще манипулировать и который гораздо сильнее реагирует на последующие обстрелы пучками лазерного излучения. По словам Хойзе, когда свет взаимодействует с атомами в таком состоянии, в его спектре отпечатываются данные по внутренней структуре их ядра, что позволяет ученым заглянуть внутрь них.
Проверив работу этой методики на стабильных атомах меди-63, ученые попытались раскрыть свойства структуры атома актиния – 89 элемента периодической таблицы, используя два изотопа, не существующих в природе — актиний-214 и актиний-215. Оба из них живут крайне недолго — период полураспада первого составляет около восьми секунд, а второго — 0,17 секунды.
По словам физиков, их эксперимент завершился успешно — в целом, результаты лазерных "обстрелов" совпали с теми данными, которые были получены в 1950 и 1960 годах после создания этих изотопов актиния и изучения свойств их атомов, а также с компьютерными расчетами, описывающими структуру ядер актиния-214 и актиния-215.
В целом, подобный результат позволяет использовать аналогичные приборы для анализа свойств более тяжелых элементов, поисков "острова стабильности" и ответа на главный вопрос физики и химии — где кончается таблица Менделеева. Как отмечают ученые, их методика сейчас пригодна для изучения элементов вплоть до дубния, однако в будущем ее применимость может быть расширена, если повысить скорость движения атомов через реактивную установку.