Гатчинский ПИЯФ обнаружил эффект чередования форм у ядер атомов висмута
Исследования атомных ядер с использованием лазерных методов проводятся уже на протяжении 50 лет. Полученная с помощью лазеров информация позволяет, в частности, установить, как меняется структура ядер, входящих в длинные цепочки изотопов одного элемента. Недавно на протонном пучке установки ISOLDE при активном участии сотрудников Лаборатории короткоживущих ядер (ЛКЯ) Отделения физики высоких энергий были выполнены лазерно-спектроскопические исследования ядер висмута. Наиболее значимым результатом стало обнаружение ярко выраженного эффекта чередования форм вблизи ядра 188Bi.
Давно известно, что форма ядра меняется в зависимости от числа протонов (Z) и нейтронов (N) в ядре. Если вблизи магических чисел (например, Z = 82, N = 126) сохраняется сферическая форма, то при удалении от замкнутых оболочек в игру вступают коллективные эффекты, и ядру становится энергетически выгоднее принять форму диска (отрицательная деформация) или (чаще) форму мяча для игры в регби (положительная деформация) (см. рис.1). Для характеристики деформации используется параметр β, приблизительно равный отношению разности полуосей эллипсоида ядра к половине их суммы. Непосредственно измерить деформацию нельзя, однако существует ряд ядерных параметров, которые позволяют (модельно зависимо) количественно оценить параметр деформации. Это, прежде всего, изотопические изменения зарядовых радиусов и электрический квадрупольный момент ядра. Использование радиусов для оценки деформации основано на том, что средний квадрат радиуса деформированного ядра заметно больше среднего квадрата радиуса сферического ядра того же объема. В той же геометрической модели квадрупольный момент сильно деформированного ядра прямо пропорционален параметру β. Указанные ядерные параметры измеряются методами атомной спектроскопии с использованием лазеров.
Лазерная спектроскопия позволяет измерять очень небольшие изменения энергии атомных уровней (изотопический сдвиг; менее 10-7-10-6 в относительных единицах), обусловленные изменениями распределения заряда в ядре. Из величины изотопического сдвига для изотопа с массовым числом A извлекается изменение (по отношению к реперному изотопу с массовым числом A0) среднего квадрата зарядового радиуса ядра (δ(r2)A, A0). Кроме того, сверхтонкое расщепление атомных линий позволяет определить спин (I), магнитный дипольный (μ) и электрический квадрупольный (Q) моменты ядра.
В прежних работах (в том числе и с использованием атомной спектроскопии) были выявлены области деформации, в которых все ядра являются сильно деформированными c β ~ 0.3 (например, область редкоземельных элементов, 59 < Z < 71, 89 < N < 101). При этом переход от сферической формы к деформированной происходит либо скачкообразно (например, для ядер Sm и Au), либо плавно (ядра Yb и Po). Но внутри этих областей деформации нет отдельных ядер, которые в отличие от соседей были бы сферическими. Радикально иное поведение было обнаружено у ядер ртути: нечетно-нейтронные изотопы с N = 101, 103, 105 оказались сильно деформированными (β ~ 0.3), в то время как их четно-нейтронные соседи (N = 102, 104, 106) сохраняют форму, близкую к сферической. Соответственно, зарядовые радиусы демонстрируют характерную «пилообразную» картину: 181, 183, 185Hg имеют значительно больший радиус, чем 180, 182, 184Hg (см. рис. 2). Обнаружение этого эффекта «чередования форм» (shape staggering) в ядрах ртути признано одним из наиболее ярких открытий в ядерной физике за последние полвека. И хотя качественное объяснение данного эффекта было дано вскоре после его экспериментального обнаружения, детальное его описание продолжает оставаться вызовом для теоретической ядерной физики. При этом в течение 50-ти лет чередование форм у ядер ртути оставалось единственным примером подобного поведения деформации ядра для всей нуклидной карты.
Спустя пятьдесят лет после этого открытия нами обнаружен второй пример подобного необычного поведения — чередование форм для нейтронно-дефицитных изотопов висмута: если ядра 187, 189Bi и высокоспиновый изомер 188Bi имеют форму, близкую к сферической, то основное состояние ядра 188Bi — сильно деформировано, о чем свидетельствует «пилообразная» изотопическая зависимость радиусов указанных ядер (см. рис.2), аналогичная наблюдавшейся ранее для ртути. Отметим, что чередование форм в изотопах висмута имеет место при том же числе нейтронов, что и для ядер ртути (N = 105; см. рис.2). В том же эксперименте нами был измерен электрический квадрупольный момент 188Big. Величина параметра деформации, извлекаемого из этого квадрупольного момента (βQ = 0.25(7)), прекрасно согласуется с параметром деформации, получаемым из данных по δ(r2) (βr = 0.28(2)), что однозначно подтверждает интерпретацию наблюдаемого эффекта.
Наряду с чередованием форм, в нашем эксперименте подтверждено обнаруженное ранее отклонение хода радиусов для основных состояний нечетных изотопов висмута (I = 9/2, N = 108, 110) от изотопической зависимости радиусов (сферических) изотопов свинца с тем же числом нейтронов. Было впервые установлено, что это отклонение имеет место и для более легких ядер (N = 104, 106). Теоретические расчеты связывают данное явление со смешиванием конфигураций с разной деформацией.
Необходимо отметить существенный вклад в данную работу сотрудников НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ: сотрудники (А.Е. Барзах и др.) Лаборатории короткоживущих ядер ОФВЭ предложили провести эксперимент на установке ISOLDE, а после его одобрения приняли активное участие в эксперименте, в обработке данных и их интерпретации; сотрудники (Л.В. Скрипников и др.) Лаборатории квантовой химии Отделения перспективных разработок провели атомные и молекулярные расчеты, необходимые для вычисления квадрупольных моментов висмута.
