В ЦЕРН открыли новую страницу в изучении редкого изотопа олова — олова-100, содержащего 50 протонов и 50 нейтронов. Он интересен за счет уникальной структуры, обеспечивающей устойчивость ядра. Получить олово-100 можно только в лабораторных условиях: в природе его не существует, поскольку он распадается менее чем за секунду.
© Altayb
Атомы состоят из ядра, окруженного электронной оболочкой. Внутри ядра — положительно заряженные протоны и нейтральные нейтроны. У одного элемента может быть несколько изотопов, то есть вариаций, различающихся числом нейтронов в ядре. Например, кислород имеет 18 изотопов: у всех по восемь протонов, но количество нейтронов варьируется от двух до 20.
В ядерной физике определенные числа протонов и нейтронов в ядре — 2, 8, 20, 28, 50 и 82 — называют «магическими». Это значит, что такие атомные ядра обладают полностью заполненными ядерными оболочками и высокой устойчивостью. Они хорошо сопротивляются деформации и обладают высокой симметрией.
Если в ядре одновременно присутствуют магические числа и протонов, и нейтронов, такой изотоп называют «дважды магическим». Он имеет особенно прочную структуру, которую исследователи изучают для проверки теорий ядерной физики.
Из-за короткого срока жизни и сложности производства олово-100 долгое время было проблематично изучать. Физики не могли с уверенностью сказать, обладает ли оно «двойной магией». Также не хватало данных о размере и форме ядер, близких к 100Sn, чтобы подтвердить его структуру.
Недавно в ЦЕРН (Европейская организация по ядерным исследованиям) собрали достаточно данных, чтобы подтвердить двойное магическое состояние олова-100. Результаты дают уверенность в том, что 100Sn имеет двойное магическое ядро с 50 протонами и 50 нейтронами. Эти выводы открывают новые перспективы для ядерной физики, позволяя создавать более точные теоретические модели.
Для более детального исследования ученые работали с изотопами индия. Они содержат на один протон меньше, чем олово-100. Такой индий стал отличной лабораторной моделью для изучения эволюции ядерной структуры вблизи магического устойчивого состояния олова-100. Разработка высокочувствительных методов лазерной спектроскопии позволила ученым провести нужные измерения.
Теоретическая ядерная физика тоже не стоит на месте. Современные модели все точнее описывают структуру тяжелых изотопов. Обширный объем экспериментальных данных об электромагнитных свойствах 100Sn помог не только подтвердить некоторые аспекты существующих теорий, но и установить новый стандарт для дальнейших исследований и моделирования.
«Эксперимент коллинеарной резонансной ионизационной спектроскопии (CRIS) на CERN-ISOLDE и производство экзотических изотопов индия на этой установке позволили нам провести точную лазерную спектроскопию атомных энергетических уровней индия, что предоставляет информацию об их ядерных электромагнитных свойствах», — объяснил профессор Рональд Гарсия Руис (Ronald Garcia Ruiz).
Собранные данные подтвердили двойную магическую природу олова-100, предсказанную теоретическими моделями. Для более глубокого понимания структуры этого изотопа первый автор исследования доктор Йонас Картхейн (Jonas Karthein) и коллеги провели расчеты и уточнили строение изотопа.
«Наши результаты дают убедительные доказательства двойной магической природы 100Sn, что предоставляет ключевую экспериментальную информацию для понимания «острова стабильности» изотопов и разрешает разногласия, возникшие из спектроскопических экспериментов в разных лабораториях мира. Простая структура этих ядерных систем предлагает идеальную модель для совершенствования нашего теоретического понимания атомных ядер», — прокомментировал доктор Картхейн.
Эти выводы помогут ученым разрабатывать более точные модели и проверять существующие теории. Ожидается, что дальнейшие исследования позволят проводить еще более точные измерения нестабильных изотопов, а это поможет глубже понять структуру и свойства нестабильных изотопов.
Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.
Комментарии
Объясните неучу. Если магические изотопы не склонны распадаться. То почему олово-100 распадается менее, чем за секунду
Николай, спасибо за вопрос! Больше подходит слово «устойчивый». Ядро олова-100 устойчиво в том смысле, что обладает повышенной симметрией и способно сопротивляться деформации, оно более «жесткое». Весь изотоп олова-100 неустойчив, то есть радиоактивен, живет меньше секунды, и распадается до индия-100.
Николай, насколько я могу понять из статьи в Википедии, там эта «стабильность» как-то хитро определяется: распады, относящиеся к поглощению или испусканию электрона или позитрона (бета-распады, электронный захват и т. п.), «не считаются», даже если они приводят к ядру, ни разу не «магическому». В общем, это такой ядерно-физический междусобойчик, в котором принято такие вещи говорить на публику в научно-популярных статьях, но не принято объяснять, почему.
Денис, а что же тогда считается? Все легкие изотопы олова распадаются через бета плюс, соседний 101 изотоп совсем не магический но живет аж 2,2 секунды
Evgeny, видимо, считаются вылет альфа-частицы и спонтанное или вынужденное (от прилëта шального нейтрона) деление на примерно равные осколки. Вот к таким событиям магические ядра очень устойчивы, хотя непонятно, что это меняет с практической точки зрения :)Видимо, физикам очень интересно, как взаимодействуют нуклоны в ядре, но совсем не интересно, как протон превращается в нейтрон и наоборот. Другого объяснения у меня нет.А 101-й изотоп устойчивее к бета-распаду, т.к. у него соотношение протонов и нейтронов ближе к оптимальному (хотя я не особо понимаю, почему в оптимальном ядре должен быть избыток нейтронов, но не очень большой).
Весьма шизофреническая статья. Обсуждают устойчивость, остров стабильности и как наступит счастье... Но то, что им позволяет делпть такие прогнозы живёт меньше секунды. Физики уже не те. Бла бла бла.
Дипломная работа по исследованию гамма-резонансного поглощения в фольге олова была выполнена мной в 1966 г. в ИХФ АН СССР. Работа предполагалась как чисто квалификационная, с предсказуемым результатом. Но вместо ожидаемой одиночной линии поглощения был получен, удививший всех,
несимметричный дублет. Я высказал предположение, что наблюдаемый эффект указывает на какие-то изменения, возникающие в структуре вещества под действием радиоактивного излучения. На что было сказано-зтого не может быть, потому, что не может быть никогда.