Наблюдения за поведением нестабильных атомов меди помогли физикам из ЦЕРН доказать, что никель-78 является двойным "магическим" изотопом с необычно высокой стабильностью. Это шаг к открытию стабильных сверхтяжелых элементов, говорится в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters.
"Изотопы с "магическим" числом протонов и нейтронов крайне интересны, так как они могут многое рассказать о том, что происходит в недрах Солнца и других звезд прямо сейчас и в конце их жизни. В целом они раскрывают тайны рождения элементов и позволяют понять, в какую сторону движется Вселенная",
— заявил Андрэ Велкер (Andree Welker), один из участников коллаборации ISOLDE.
Все ядра элементов тяжелее водорода состоят из двух типов элементарных частиц – протонов, заряженных положительно, и нейтронов, не имеющих заряда. Их число определяет, насколько атом стабилен. При избытке частиц ядро старается избавиться от лишних протонов или нейтронов, выбрасывая альфа-частицу ("голое" ядро гелия-4) или же превращая один из нейтронов в протон или наоборот.
В редких случаях, когда нейтронов в атоме гораздо больше, чем протонов, такой распад приводит к выделению свободных нейтронов или пар нейтронов и электронов. Пока ученые не знают, как часто это происходит и какие именно процессы заставляют нестабильное ядро так себя вести. Это мешает точно определить, какие элементы формируются в звездах и как нейтроны влияют на поведение топлива в ядерных реакторах.
Ситуация осложняется тем, что есть целый набор элементов с так называемым "магическим числом" протонов и нейтронов: 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126. Они обладают заметно более высокой стабильностью, чем предсказывает теория, и не распадаются так, как описано выше. Как полагают ученые, выявление принципов нейтронного распада ядер позволит вычислять "магические" числа теоретически, а не искать их вслепую.
Все эти тайны, как отмечает Велкер, пытается раскрыть проект ISOLDE – один из самых долгоживущих ускорителей и "изотопных фабрик" ЦЕРН, начавший работу в 1967 году.
В рамках этого эксперимента ученые обстреливают пучками протонов мишень на основе урана. Большая часть частиц пролетает сквозь этот экран, но некоторые взаимодействуют с его атомами и превращают их в другие химические элементы. Детекторы ISOLDE измеряют массу и прочие свойства этих элементов, что позволяет искать новые "магические" изотопы.
По словам ученого, изучать такие вещества довольно сложно, так как они возникают в ускорителе крайне редко и распадаются очень быстро. Яркий пример — никель-78, сверхтяжелый изотоп, не существующий на Земле, но являющийся одним из главных продуктов термоядерных реакций внутри сверхновых.
Его редкость подчеркивает то, что совсем недавно ученые практически ничего о нем не знали, в том числе и его период полураспада, который составляет, как показали опыты на установке NCSL в 2005 году, примерно 110 миллисекунд. С другой стороны, никель-78 всегда интересовал астрономов и физиков-теоретиков, так как он отличается сразу двумя "магическими числами" (28 протонов и 50 нейтронов) и играет важную роль в рождении урана и других сверхтяжелых элементов.
Велкер и его коллеги смогли доказать, что этой действительно "магический" изотоп, наблюдая за его соседом по периодической таблице Менделеева — нестабильной медью-79, распадающейся примерно за то же время.
У таких элементов тоже есть довольно необычные свойства, наблюдая за которыми можно изучать "магические" изотопы, проводя экспериментов с ними самими. К примеру, разница в массе меди-79, никеля-78 или меди-78 должна быть меньше, чем различия в весе между более легкими изотопами меди.
Руководствуясь этой идеей, ученые создали большое количество атомов меди и измерили их массы. Опыты показали, что нейтроны и протоны в атомах меди-79 и меди-78 действительно сцеплены друг с другом сильнее, чем в других изотопах этого металла, что подтвердило магическую природу их соседа, никеля-78.
Это открытие, как отмечают физики, позволяет ЦЕРН приступить к поискам еще более тяжелых "магических" элементов и открытию новых элементов с крайне нестандартным расположением протонов и нейтронов, природу которых еще предстоит раскрыть.