Новый изотоп заставил усомниться в условиях магичности ядер магния

08:58 10 Январь Киев, Украина

Полученный физиками новый изотоп магния, магний-18, содержащий в своем ядре немагические 12 протонов и 6 нейтронов, поставил под вопрос магичность магния-20, который имеет 8 нейтронов. Новый изотоп прожил секстиллионные доли секунды, но необходимая ему для возбуждения энергия оказалась больше такой магической разновидности магния, что заставляет пересмотреть стабильность изотопов с восемью нейтронами в ядре. Свою работу группа физиков опубликовала в Physical Review Letters.

Какая магия в ядрах?

По данным центра ядерных данных Брукгейвенской национальной лаборатории, сегодня физика знает около 3339 как природных, так и полученных в лаборатории, изотопов. То есть подвидов атомов и атомных ядер одного и того же химического элемента. Большинство из них — нестабильные или радиоактивные, то есть переживающие радиоактивный распад разными путями (например, альфа-распад или электронный захват). И всего около трех сотен из всех известных изотопов стабильны — могут существовать долгое время. И, собственно, с их стабильностью и связана определенная магичность.

Согласно оболочковой модели ядра, протоны и нейтроны в ядре подчиняются принципу запрета Паули, а потому независимо друг от друга «заселяют» свои оболочки. И ядра, в которых протонные или нейтронные оболочки полностью заполнены, гораздо стабильнее. Число нужных для восполнения нейтронов либо протонов и называют в физике волшебным.

Для первых это 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, 184, а для вторых – 2, 8, 20, 28, 50, 82, 114. Причем если числа и протонов, и нейтронов магические, то ядро называют дважды магическим и оно еще более стабильно. За этой магией, по мнению физиков, скрывается стабильность ядер. Чем больше дисбаланс в количестве протонов и нейтронов, тем нестабильнее ядро. И за каждым нарушением этой магичности скрывается наше лучшее понимание теоретических постулатов. Собственно, с этой целью команда физиков из Китая и США исследовали один из изотопов магния — магний-18.

Что не так с новым изотопом?

Неизвестный ранее изотоп магния был открыт в Национальной циклотронной лаборатории Мичиганского университета. Для этого физики разогнали ионы стабильного изотопа магния, магний-24, в циклотроне до энергий в 170 мегаэлектронвольтов, а затем столкнули их с мишенью из фольги из бериллия. В результате столкновения образовались новые более легкие изотопы, из которых ученые выделили магний-20. Он в свою очередь попал на мишень из бериллия, где от столкновения потерял два нейтрона и превратился в новый магний-18.

Новооткрытый изотоп оказался чрезвычайно нестабильным – еще внутри своей мишени он распался на два протона и неон-16, который в свою очередь потом распался на кислород оксиген-14 и еще два протона. Учитывая такой короткий срок жизни, не более секстиллионной доли секунды, исследовать изотоп напрямую невозможно. Однако по продуктам его распада удалось вычислить энергию возбуждения вновь обретенного магния-18, то есть такое количество энергии, которого хватит, чтобы вывести его из основного состояния.

И рядом с двумя другими изотопами магния, магнием-20 (у которого ядро с восемью нейтронами считалось магическим) и магнием-22 (у него нейтронов 10, он не магичен и не стабилен), магичность магния-20 пришлось подвергнуть сомнению. Энергия возбуждения нестабильного магния-18 составила 1,84 мегаэлектронвольта, в то время как у его магического родственника – 1,598. У магния-22 она еще меньше, 1,247 мегаэлектронвольта.

Свои сомнения в магичности ядра из восьми протонов магния-20 физики планируют подтвердить или опровергнуть будущими экспериментами с изотопом кремния, кремния-22, у которого ядро содержит 15 протонов. Он поможет проверить, насколько верна интерпретация полученных учеными в этом эксперименте результатов.