Что такое магические числа в ядерной физике, и почему они так важны?

Почему одни атомы стабильны, а другие моментально распадаются? Свинец-208 фактически бессмертен, тогда как синтетический изотоп технеций-99 существует лишь считанные часы. Ответ — потому магические числа частиц в составе некоторых ядер делают их крайне устойчивыми к радиоактивному распаду. Портал livescience.com рассказал, что такое магические числа в ядерной физике.

Дело в том, что стабильность атомного ядра варьируется в зависимости от количества частиц, которое оно содержит. Например, свинец-208 и кальций-40 существуют на Земле с самого момента формирования планеты — они входят в число первородных изотопов, которые, скорее всего, доживут до конца времени. А другие соединения, вроде оганесона-294 или теннессина-294, распадаются за долю секунды, потому что их периоды полураспада составляют 0,89 и 0,80 миллисекунды соответственно.

Стабильность ядра частично связана с массой самого атома — тяжелые элементы обычно менее стабильны. Но в 1940-1950-х ученые обнаружили, что у множества легких элементов тоже есть радиоактивные изотопы; углерод-14 и калий-40 проходят радиоактивный распад медленно, и служат источником значительной доли фоновой радиации на Земле.

Исследователи также заметили, что специфические количества протонов и нейтронов приводили к формированию необычайно стабильных ядер — и эти количества стали известны как магические числа. 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126. Например, из двух протонов и двух нейтронов получится ядро атома гелия — очень стабильное сочетание протонов и нейтронов.

Ядра гелия, также известные как альфа-частицы, спонтанно вырабатываются более тяжелыми, нестабильными атомами, проходящими через радиоактивный распад. Если атом проходит через этот процесс, то почему он не теряет протоны или нейтроны по одиночке? Потому что альфа-частица невероятно стабильна.

В список других магических ядер входят кислород-16 (8 протонов и 8 нейтронов), кальций-40 (20 протонов и 20 нейтронов) и свинец-208 (82 протона и 126 нейтронов) — самый тяжелый стабильный элемент, известный науке.

Для того, чтобы понять эти странные наблюдения, физики предложили оболочечную модель ядра, которая проводит параллель с электронными оболочками, чтобы объяснить химическое поведение атомов. Идея в том, что протоны и нейтроны находятся в оболочках, а активизация ядер приводит к тому, что протоны и нейтроны «прыгают» вверх-вниз между этими оболочками.

Как и их электронные аналоги, ядерные оболочки имеют фиксированные значения энергии (квантованные состояния), и система наиболее стабильна, когда все оболочки заполнены. Подробное объяснение механизма затрагивает сложное сочетание квантово-механических факторов, но суть в том, что сила, держащая протоны и нейтроны в ядре, возрастает в зависимости от количества частиц в оболочках.

Таким образом, магическое число — это количество частиц, которые должны заполнить каждую из ядерных оболочек, с раздельными показателями для протонов и нейтронов. Индивидуальные изотопы могут быть единично магическими (т.е. под магическое число подпадают либо нейтроны, либо протоны), либо вдвойне магическими (и нейтроны, и протоны). К последней категории относится очень мало элементов, но они обладают довольно интригующими квантовыми свойствами.