Физики подтвердили двойное магическое число в ядре олова-100

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.