Отриманий фізиками новий ізотоп магнію, магній-18, який містить у своєму ядрі немагічні 12 протонів і 6 нейтронів, поставив під сумнів магічність магнію-20, який має 8 нейтронів. Новий ізотоп прожив секстильйонні долі секунди, але необхідна йому для збудження енергія виявилася більшою за таку для магічного різновиду магнію, що змушує переглянути стабільність ізотопів з вісьмома нейтронами у ядрі. Свою роботу група фізиків опублікувала у Physical Review Letters.
S. M. Wang / Fudan University
Яка магія у ядрах?
За даними центру ядерних даних Брукгейвенської національної лабораторії, сьогодні фізика знає близько 3 339 як природних, так і отриманих в лабораторії, ізотопів. Тобто підвидів атомів і атомних ядер одного і того самого хімічного елементу. Більшість з них — нестабільні або радіоактивні, тобто такі, що переживають радіоактивний розпад різними шляхами (наприклад, альфа-розпад або електронне захоплення). І всього близько трьох сотень з усіх відомих ізотопів є стабільними — такими, що можуть існувати довгий час. І власне з їхньою стабільністю і пов'язана певна магічність.
Згідно з оболонковою моделлю ядра, протони і нейтрони у ядрі підпорядковуються принципу заборони Паулі, а відтак незалежно один від одного «заселяють» свої оболонки. І ядра, у яких протонні чи нейтронні оболонки повністю заповнені, є набагато більш стабільними. Число необхідних для заповнення нейтронів чи протонів і називають у фізиці магічним.
Для перших це 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, 184, а для других - 2, 8, 20, 28, 50, 82, 114. Причому якщо числа і протонів, і нейтронів магічні, то ядро називають двічі магічним і воно ще більш стабільне. За цією магією, на думку фізиків, приховується стабільність ядер. Чим більший дисбаланс у кількості протонів та нейтронів, тим нестабільніше ядро. І за кожним порушенням цієї магічності приховуватиметься наше краще розуміння теоретичних постулатів. Власне з цією метою команда фізиків з Китаю і США досліджували один з ізотопів магнію — магній-18.
Що не так з новим ізотопом?
Невідомий раніше ізотоп магнію відкрили у Національній циклотронній лабораторії Мічиганського університету. Для цього фізики розігнали іони стабільного ізотопу магнію, магній-24, у циклотроні до енергій у 170 мегаелектронвольтів, а потім зіткнули їх з мішенню із фольги з берилію. В результаті зіткнення утворилися нові легші ізотопи, з яких вчені виділили магній-20. Він своєю чергою також потрапив на мішень з берилію, де від зіткнення втратив два нейтрони та перетворився на новий магній-18.
Нововідкритий ізотоп виявився надзвичайно нестабільним — ще всередині своєї мішені він розпався на два протони і неон-16, який у свою чергу потім розпався на кисень оксиген-14 і ще два протони. Враховуючи такий короткий термін життя, не більше секстильйонної долі секунди, дослідити ізотоп напряму неможливо. Однак за продуктами його розпаду вдалося вирахувати енергію збудження новознайденого магнію-18, тобто таку кількість енергії, якої вистачить, щоб вивести його з основного стану.
І поруч з двома іншими ізотопами магнію, магнієм-20 (у якого ядро з вісьмома нейтронами вважалося магічним) і магнієм-22 (у нього нейтронів 10, він не магічний і не стабільний), магічність магнію-20 довелося поставити під сумнів. Енергія збудження нестабільного магнію-18 склала 1,84 мегаелектронвольта, у той час як у його магічного «родича» — 1,598. У магнію-22 вона ще менша, 1,247 мегаелектронвольта.
Свої сумніви у магічності ядра з восьми протонів у магнію-20 фізики планують підтвердити або спростувати майбутніми експериментами з ізотопом кремнію, кремнієм-22, у якого ядро містить 15 протонів. Він допоможе перевірити, наскільки правильною є інтерпретація отриманих вченими у цьому експерименті результатів.