Физики открыли новое магическое число для нейтронов
Несмотря на невероятные достижения современной физики, учёные всё ещё не познали всех тайн атомного ядра. Недавно, благодаря новейшим техническим возможностям, экспериментаторы получили прямые доказательства существования нового так называемого магического числа нейтронов.
Большая международная коллаборация учёных из Гонконга, Японии, Франции и других стран провела масштабную работу на базе Института физико-химических исследований в Японии (RIKEN).
В своём новом эксперименте, результаты которого описаны в издании Physical Review Letters, физики изучали изотоп кальция 54 (54Ca).
Напомним, что каждый атом состоит из ядра и электронов, которые располагаются вокруг него на разных "орбитах". Ядро при этом сложено из протонов и нейтронов. Химические элементы отличаются друг от друга различным наполнением ядра и, как следствие, электронных "орбит". Изотопы одного и того же химического элемента отличаются тем, сколько в каждом ядре нейтронов.
Когда-то учёные полагали, что внутри ядра атома протоны и нейтроны образуют некую единую массу. Однако современная теория оболочечного строения утверждает, что эти частицы организованы в ядерных оболочках определённым образом и распределены в них неравномерно. Похожую структуру имеют и электронные "орбиты" атома. На них электроны также расположены особым образом.
Нестабильное ядро изотопа 54Ca состоит из 20 протонов и 34 нейтронов. В ходе исследований специалисты впервые показали, что его нейтронная оболочка целиком заполнена. Такой "полный комплект" представляет особый интерес для исследователей.
Дело в том, что количество протонов и/или нейтронов, целиком "заселяющих" какую-любо оболочку ядра, в ядерной физике называют магическим числом. Атомные ядра, "обладающие" им, обычно более стабильны. (Так же как химические элементы с "орбитами", полностью заселёнными электронами, менее химически активны, то есть с меньшим энтузиазмом вступают в реакции с другими элементами.)
До сих пор специалистам было известно семь магических чисел: 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126. Результаты новой работы добавили к ним ещё одно – 34.
О том, что это восьмое число существует, физики начали догадываться ещё в 2013 году. На мысль об этом экспертов навели результаты других экспериментов с 54Ca, также проведённых в RIKEN. Однако в то время учёные не обладали достаточными техническими возможностями, чтобы подтвердить свои предположения.
Лишь совсем недавно первому автору новой научной работы Сыдуну Чэню (Sidong Chen) с коллегами наконец удалось точно посчитать количество нейтронов, занимающих отдельные оболочки в изотопе кальция 54.
Это стало возможным благодаря специальному ускорителю тяжёлых ионов. Он позволил разогнать ядра 54Ca до 60% скорости света.
Далее этот высокоэнергетический луч изотопов кальция сталкивался с жидким водородом (то есть протонами), охлажденным до чрезвычайно низких температур (20 Кельвинов, или -253 градуса по Цельсию).
Столкновение приводило к тому, что из ядра 54Ca выбивался один нейтрон. В результате физики получали изотоп кальция 53. Наблюдение за столкновениями и их результатом позволило учёным восстановить строение оболочек ядра его "предшественника" – кальция-54.
По словам исследователей, полученные результаты надёжно свидетельствуют о том, что у кальция-54 все оболочки заполнены, а 34 – новое магическое число для нейтронов (так как именно столько нейтронов располагается в ядре изученного изотопа кальция). Соответственно, изотопы с таким количеством нейтронов должны быть более стабильными.
Специалисты утверждают, что магическое число 34 наблюдается в очень ограниченной области таблицы нуклидов (система для изотопов, напоминающая таблицу химических элементов Менделеева).
"Основные усилия в будущем будут направлены на дальнейшее изучение данного региона [таблицы нуклидов]. Более того, для изотопов с ещё большим количеством нейтронов, например, 60Ca, уже предсказаны новые магические числа. Эти изотопы в настоящее время невозможно детально исследовать в имеющемся ускорителе. Однако в обозримом будущем мы надеемся улучшить наши технические возможности, [чтобы изучить этот вопрос подробнее]", – пояснил Чэнь.
Добавим, что авторы "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) ранее рассказывали о других выдающихся успехах ядерных физиков, а также о том, как математики вычислили рекордно большое простое число и обнаружили необычную закономерность у простых чисел.
Чтобы всегда оставаться в курсе самых интересных научных событий, подписывайтесь на наши группы в социальных сетях: ВК, Facebook, Twitter, "Одноклассники". Есть мы и в Яндекс.Дзене.