Циклотрон, на котором было найдено новое магическое число (фото RIKEN).
Найдено новое магическое число
У кальция-54 даже «34» может стать магическим числом.
Физики, ведомые Дэвидом Степпенбеком (
David Steppenbeck
) из Токийского университета (Япония), определили новое магическое число нейтронов в нестабильном изотопе кальция.
«Магическими» называют ядра с полными «оболочками» нуклонов (протонов и нейтронов), обычно чрезвычайно устойчивыми к распаду. Неплохой пример — гелий-4, с парой нейтронов и двумя протонами. Гелий, напомним, исключительно стабилен: значительная его часть возникла в момент Большого взрыва. Дальше
магические числа
для химических элементов дают 8, 20, 28, 50, 82 и 126. Однако в рядах таких магических ядер есть заметные исключения: ядра с неодинаковым числом нейтронов и протонов нестабильны даже при соблюдении магических чисел. В частности, в кремнии-42 есть 28 нейтронов, а протонов всего 14; равным образом нестабильны и изотопы кислорода с 16 нейтронами.
Изучения изотопов кальция, в которых нейтронов больше, чем протонов, уже показало, что число нейтронов, равное 32, позволит такому ядру оставаться стабильным. Теоретические работы предсказывали, что и 34 нейтрона для кальция будут «магическими», но проверить это на практике долгое время не удавалось.
Группа г-на Степпенбека обстреливала ядрами скандия и титана твёрдую мишень из бериллия. Столкновения образовывали большое количество короткоживущих ядер, при распаде которых появлялись гамма-лучи, регистрируемые экспериментальной установкой. При этом выяснилось, что первое возбуждённое состояние у кальция-54 наступает лишь при весьма высокой энергии; это указывает на то, что электронная подоболочка такого ядра закрывается при 34 нейтронах. Подоболочка ядер аналогична хорошо известной атомной подоболочке (s, p, d и т. д.). Если ширина запрещённой зоны велика, закрытие этой подоболочки соответствует магическому числу.
Итак, кальций-54 с 34 нейтронами в ядре сравнительно стабилен — то есть хотя и распадается быстро, но всё же значительно медленнее, чем должен был, не будь число «34» для него магическим (ну а физика, легко догадаться, познала ещё одно магическое число для ядер атомов).
Что всё это даёт? Взаимодействие нуклонов внутри нестабильных ядер, конечно, не так часто встречается в повседневной жизни, однако нуклеосинтез в недрах звёзд породил все элементы тяжелее гелия, в том числе те, из которых состоим мы с вами. Понимание поведения таких ядер значительно улучшит знание как химии звёзд, так и происходящих в их недрах физических процессов.
Отчёт об исследовании опубликован в журнале
Nature
.
Структура ядер атомов всех элементов, кроме атомов водорода, состоит из структуры ядер атомов гелия и его элементов. Этот факт вытекает из радиоактивности, ядерного распада, в том числе и кластерного распада. Если структура ядра состоит из структуры ядер гелия, без свободных протонов и нейтронов, то все такие ядра будут устойчивыми и иметь магические числа.