16 апреля 2021

Китайские физики впервые синтезировали самый легкий изотоп урана

В ходе экспериментов по альфа-распаду китайским физикам впервые удалось синтезировать новый, сверхлегкий короткоживущий изотоп уран-214. Ученые также обнаружили, что сильное протон-нейтронное взаимодействие в области тяжелых ядер приводит к значительному увеличению вероятности образования альфа-частиц при альфа-распаде. Результаты исследования опубликованы в журнале Physics Review Letters.

Альфа-распад — вид радиоактивного распада ядра, в результате которого происходит испускание положительно заряженной частицы, образованной двумя протонами и двумя нейтронами — ядра атома гелия-4, или альфа-частицы. При этом массовое число ядра уменьшается на 4, а атомный номер — на 2. Альфа-распад наблюдается только у тяжелых ядер.

Хотя физики изучают явление альфа-распада уже более ста лет, ядерная теория до сих пор не может объяснить, как именно в ядре образуются альфа-частицы, которые можно рассматривать не только как два протона плюс два нейтрона, но и как две пары протон-нейтрон.

Исследователи из Института современной физики (IMP) Китайской академии наук провели эксперименты на газонаполненном ядерном спектрометре отдачи ускорителя тяжелых ионов (SHANS) в Центре исследования тяжелых ионов в Ланьчжоу и впервые экспериментально доказали, что при сильном протон-нейтронном взаимодействии в области тяжелых ядер значительно возрастает вероятность альфа-распада и образования альфа-частиц.

Ученые направляли в вольфрамовую мишень луч аргона, который запускал реакции термоядерного испарения, и с помощью спектрометра отслеживали результаты реакции. Среди продуктов термоядерного синтеза авторы идентифицировали два открытых ранее легких изотопа урана — уран-216 и уран-218, а также один новый — уран-214 с периодом полураспада 0,5 миллисекунды. Это самый легкий изотоп урана, обнаруженный до сих пор.

Число нейтронов в этом изотопе близко к так называемому магическому нейтронному числу 126, что делает его особенно интересным для изучения. "Магические" изотопы необычайно стабильны, и наблюдение за их ближайшими соседями дает возможность исследовать, как структура ядра влияет на процессы радиоактивного распада.

"Ядра рядом с магическим числом нейтронов N=126 представляют собой идеальное место для исследования того, как изменения ядерной структуры влияют на свойства альфа-распада", — приводятся в пресс-релизе Китайской академии наук слова первого автора статьи Чжан Чжиюаня (Zhang Zhiyuan) из IMP.

Измерив параметры распада 214,216,218U, физики установили, что три наблюдаемых изотопа урана испытывают самое сильное протон-нейтронное взаимодействие по сравнению с изотопами других элементов, и это существенным образом влияет на образование альфа-частиц в ядре.

"Анализируя экспериментальные данные, можно сказать, что поведение протон-нейтронного взаимодействия играет решающую роль в альфа-распаде", — говорит Чжан.

Авторы предполагают, что аналогичный эффект существует во всей трансурановой ядерной области с крайним дефицитом нейтронов, что открывает новые возможности в изучении альфа-распада атомных ядер.