Изучая свойства очень нестабильных изотопов меди, физики открыли новые странности в закономерностях, по которым изменяются размеры ядер атомов. Так называемый зарядовый радиус – один из важнейших параметров, он определяет границы атомных ядер и напрямую связан с тем, как те устроены изнутри. В данном случае он показывает, как протоны распределены по атому и где пролегает граница, в пределах которой ядро отражает заряженные частицы, летящие в его сторону.
Ранее ученые считали, что зарядовые размеры ядер должны плавно расти вместе с числом протонов внутри них. Однако еще полвека назад ученые обнаружили, что эта закономерность работает не совсем так. Оказалось, что размеры атомы с четным числом нейтронов были несколько больше, чем у ядер с нечетным их количеством. В результате график зарядовых размеров атомов больше похож на лестницу с неровными ступенями, чем на кривую линию.
Полноценное объяснение этому феномену отсутствует до сих пор, однако многие теоретики предполагают, что оно связано с тем, что протоны и нейтроны внутри ядер существуют не в виде самостоятельных частиц, а сильно связанных пар. Физики уже много десятилетий пытаются проверить это, изучая свойства ядер атомов, содержащих в себе необычно большое число нейтронов.
Как правило, подобные вещества по своей природе довольно нестабильны. Из-за этого их сложно изучать, поэтому физикам приходится одновременно и синтезировать их, и сразу же измерять зарядовый радиус и другие свойства. Для этого ученые используют специализированные ускорители частиц и ловушки для атомов.
Физики под руководством Рубена де Гроота из Университета Ювяскюля (Финляндия) проводили подобные эксперименты с помощью ускорительной установки ISOLDE. Ее создали в 1964 году в CERN для производства различных радиоактивных изотопов и элементов, не существующих в природе, и изучения их свойств.
Пользуясь тем, что этот ускоритель может «сортировать» производимые изотопы, физики использовали ее для того, чтобы накопить небольшое количество сверхтяжелых изотопов меди и замерить их зарядовые радиусы. Для этого ученые вылавливали одиночные ядра этого металла, подсвечивали их лазером и наблюдали за тем, как поменяется спектр его излучения.
Сдвиги их линий, как объясняют физики, напрямую отражают то, как меняется зарядовый радиус ядра. Благодаря этому его можно вычислить очень точно даже при небольшом количестве атомов. В случае с экзотическими изотопами меди эти замеры показали еще одну аномалию – ступени «лестницы» зарядовых размеров для самых тяжелых ядер этого элемента оказались значительно более пологими, чем это предсказывают теория и наблюдения за стабильными элементами.
Как надеются физики, полученные ими данные и первые попытки частично просчитать поведение атомов на их основе с помощью двух разных математических подходов помогут ученым сформулировать новые теории, которые описывали бы взаимодействие протонов и нейтронов внутри ядер атомов. Возможно, с помощью этих теорий удастся раскрыть природу этой «лестницы» зарядовых размеров.