Физики ЦЕРН открыли новый сверхтяжелый "магический" изотоп

Наблюдения за поведением нестабильных атомов меди помогли физикам из ЦЕРН доказать, что никель-78 является двойным "магическим" изотопом, обладающим необычно высокой стабильностью, что приближает нас к открытию стабильных сверхтяжелых элементов, говорится в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters.

Магия цифр

Все ядра элементов тяжелее водорода состоят из двух типов элементарных частиц – протонов, заряженных положительно, и нейтронов, не имеющих заряда. То, как много протонов и нейтронов содержит атом, определяет то, насколько стабильным он является. При избытке и того, и другого типа частиц ядро старается избавиться от "лишних" протонов или нейтронов, выбрасывая или альфа-частицу, "голое" ядро гелия-4, или же превращая один из нейтронов в протон или наоборот.

В некоторых редких случаях, когда в атоме содержится гораздо больше нейтронов, чем протонов, подобные распады приводят к выделению свободных нейтронов или пар нейтронов и электронов. Пока ученые не знают, как часто происходят подобные события и не знают, какие именно процессы заставляют нестабильное ядро вести себя таким образом, что мешает точному определению того, какие элементы формируются в звездах и как подобные нейтроны влияют на поведение топлива в ядерных реакторах.

Ситуация осложняется тем, что существует целый набор элементов с определенным количеством протонов и нейтронов, так называемым "магическим числом" – 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126, которые обладают заметно более высокой стабильностью, чем предсказывает теория, и не распадаются подобным образом. Как полагают сегодня ученые, понимание принципов нейтронного распада ядер позволит нам вычислять подобные "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 свою работу в 1967 году и продолжающий совершать открытия и производить сверхредкие элементы до сих пор.

В рамках этого эксперимента ученые обстреливают мишень из урана, сплавов других металлов и прочих элементов при помощи пучков протонов. Большая часть частиц пролетает сквозь этот экран, однако часть их них взаимодействует с его атомами и превращает их в другие химические элементы. Детекторы ISOLDE измеряют массу и другие свойства этих элементов, что позволяет ученым искать новые "магические" изотопы и изучать их свойства.

Сверхновая в лаборатории

Многие подобные вещества, по словам ученого, изучать достаточно сложно, так как они возникают внутри ускорителя крайне редко и распадаются очень быстро. Ярким примером этого является никель-78 – сверхтяжелый изотоп этого металла, не существующий на Земле, но являющийся одним из главных "продуктов" термоядерных реакций внутри сверхновых.

Его редкость подчеркивает то, что до недавнего времени ученые практически ничего не знали об этом изотопе, 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 является обладателем сразу двух магических чисел – он содержит в себе 28 протонов и 50 нейтронов, и играет важную роль в рождении урана и других сверхтяжелых элементов.

Велкер и его коллеги по коллаборации ISOLDE смогли доказать, что данный изотоп действительно является "магическим", наблюдая за "соседом" никеля-78 по периодической таблице Менделеева, нестабильной медью-79, распадающейся примерно за то же время.

Соседи "магических" изотопов, как отмечает ученый, тоже обладают достаточно необычными свойствами, и их изучение позволяет физикам достаточно точно определить свойства этого элемента, не имея его на руках и не проводя экспериментов с ним. 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. Эти 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 элементов с магическим числом протонов и нейтронов, и открытию новых элементов с крайне "нестандартным" расположением протонов и нейтронов внутри их ядра, природу которых еще предстоит раскрыть.