1 New Concepts in Science*
Большая международная коллаборация учёных из Гонконга, Японии, Франции и других стран провела масштабную работу на базе Института физико-химических исследований в Японии (RIKEN).
В своём новом эксперименте, результаты которого описаны в издании Physical Review Letters, физики изучали изотоп кальция под названием кальций-54 (54Ca).
Напомним, что каждый атом состоит из ядра и электронов, которые располагаются вокруг него на разных "орбитах". Ядро при этом сложено из протонов и нейтронов. Химические элементы отличаются друг от друга различным наполнением ядра и, как следствие, электронных "орбит". Изотопы одного и того же химического элемента отличаются тем, сколько в каждом ядре нейтронов.
Когда-то учёные полагали, что внутри ядра атома протоны и нейтроны образуют некую единую массу. Однако современная теория оболочечного строения утверждает, что эти частицы организованы в ядерных оболочках определённым образом и распределены в них неравномерно. Похожую структуру имеют и электронные "орбиты" атома. На них электроны также расположены особым образом.
Нестабильное ядро изотопа 54Ca состоит из 20 протонов и 34 нейтронов. В ходе исследований специалисты впервые показали, что его нейтронная оболочка целиком заполнена. Такой "полный комплект" представляет особый интерес для исследователей.
Дело в том, что количество протонов и/или нейтронов, целиком "заселяющих" какую-любо оболочку ядра, в ядерной физике называют магическим числом. Атомные ядра, "обладающие" им, обычно более стабильны. (Так же как химические элементы с "орбитами", полностью заселёнными электронами, менее химически активны, то есть с меньшим энтузиазмом вступают в реакции с другими элементами.)
До сих пор специалистам было известно семь магических чисел: 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126. Результаты новой работы добавили к ним ещё одно – 34.
О том, что это восьмое число существует, физики начали догадываться ещё в 2013 году. На мысль об этом экспертов навели результаты других экспериментов с 54Ca, также проведённых в RIKEN. Однако в то время учёные не обладали достаточными техническими возможностями, чтобы подтвердить свои предположения.
Лишь совсем недавно первому автору новой научной работы Сыдуну Чэню (Sidong Chen) с коллегами наконец удалось точно посчитать количество нейтронов, занимающих отдельные оболочки в ядре кальция-54.
Это стало возможным благодаря специальному ускорителю тяжёлых ионов. Он позволил разогнать ядра 54Ca до 60% скорости света.
Далее этот высокоэнергетический луч изотопов кальция сталкивался с жидким водородом (то есть протонами), охлажденным до чрезвычайно низких температур (20 Кельвинов, или -253 градуса по Цельсию).
Столкновение приводило к тому, что из ядра 54Ca выбивался один нейтрон. В результате физики получали кальций-53. Наблюдение за столкновениями и их результатом позволило учёным восстановить строение оболочек ядра его "предшественника" – кальция-54.
По словам исследователей, полученные результаты надёжно свидетельствуют о том, что у кальция-54 все оболочки заполнены, а 34 – новое магическое число для нейтронов (так как именно столько нейтронов располагается в ядре изученного изотопа кальция). Соответственно, изотопы с таким количеством нейтронов должны быть более стабильными.
Специалисты утверждают, что магическое число 34 наблюдается в очень ограниченной области таблицы нуклидов (система для изотопов, напоминающая таблицу химических элементов Менделеева).
"Основные усилия в будущем будут направлены на дальнейшее изучение данного региона [таблицы нуклидов]. Более того, для изотопов с ещё большим количеством нейтронов, например, 60Ca, уже предсказаны новые магические числа. Эти изотопы в настоящее время невозможно детально исследовать в имеющемся ускорителе. Однако в обозримом будущем мы надеемся улучшить наши технические возможности, [чтобы изучить этот вопрос подробнее]", – пояснил Чэнь.