Изотопът никел-78 е двойно магически или свръхнова в лаборатория

Физици от ЦЕРН доказаха, че никел-78 е двойно "магически" изотоп с необичайно висока стабилност. Никел-78 е свръхтежък изотоп, който не съществува на Земята, но е един от основните продукти на реакциите на синтез в свръхновите.

Стабилността на атома може да варира значително от един елемент към следващия от периодичната таблица, както и между изотопите на един и същ елемент (чиито ядра съдържа същия брой протони, но различен брой неутрони). Въпреки че много от изотопите са нестабилни и бързо преминават към радиоактивен разпад, някои "магически" изотопи показват изключителна стабилност. Изясняването на свойствата на тези устойчиви изотопи е от съществено значение за разбирането на това как химическите елементи са се образували в ранната Вселена.

Необичайната стабилност на магическите ядра предполага, че е възможно да се създадат трансуранови елементи, които имат дълъг период на полуразпад, който не е характерен за елементи с голяма атомна маса.

Магията на числата

Ядрените физици лесно могат да минат за магьосници. Терминът магически ядра е въведен от Юджийн Уигнър, който смята, че ядрата се държат като течни капчици, разказва Даниел Базен (Daniel Bazin) от Национална свръхпроводяща циклотронна лаборатория (National Superconducting Cyclotron Laboratory) на страницата Рhysics. 

Всички елементи по-тежки от водорода имат ядра, които се състоят от два вида елементарни частици - протони (Z), които са положително заредени, и неутрони (N), които нямат заряд. Те се наричат с общия термин нуклони, т.е. ядрени частици. Техният брой определя доколко атомът е стабилен. При излишък на частици ядрото се опитва да се освободи от излишните протони или неутрони излъчвайки алфа-частица, т.е. ядро ​​на хелий-4 или превръща един от протоните в неутрони или обратното.  В редки случаи, когато неутроните в атома са повече от протоните, разпадът води до освобождаване на свободни неутрони или двойки неутрони и електрони. Засега не е ясно колко често се случва това и кои процеси карат нестабилното ядро ​​да се държи по този начин. Тази неяснота пречи точно да определят елементите, които се формират в звездите, и как неутроните влияят върху поведението на горивото в ядрените реактори.

През 1946 г. Мария Гьоперт-Майер разработва слоестия модел на атомното ядро. Именно за тази си работа, заедно с Юджийн Уигнър, получава Нобелова награда и остава втората жена в историята, след Мария Кюри, която става лауреат на това отличие за физика.

Моделът на Мария Гьоперт-Майер обяснява съществуването на магическите чисел във физиката на ядрото - фактът, че елементите с атомни тегла 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126 са по-стабилни, отколкото техните съседи. Обяснението се крие във взаимодействието на спина и орбитата на ядрените частици, в резултат на което в ядрото се образуват обвивки с възможно количество нуклони 2, 6, 10 и така нататък. Протоните и неутроните попълват енергийните обвивки или орбитали на ядрото, които някои физици наподобяват на люспите на лука.

Магическите числа съответстват на най-големите скоковете на енергия между обвивките. При запълване на поредната обвивка се получава извънредно стабилна конфигурация на ядрото. Когато и двете числа - и на протоните, и на неутроните отговаря на това изискване, ядрото се нарича двойно магическо.

Магията на никел-78

И така, "магическите числа" съответстват на броя на частиците, необходими за запълване напълно на протонната или неутронна "люспа" на ядрото. Изотопът никел-78 (⁷⁸Ni) съдържа 28 протона и 50 неутрони, което го прави двойно магически. Но за изотопи с такъв голям излишък на неутрони в сравнение с протоните се предсказва, че имат различни магически числа, а някои теоретични модели показват, че дори ⁷⁸ Ni не е изобщо магически. Затова се обръща много внимание на магическите свойства на ⁷⁸Ni и се полагат усилия да се проверят теоретичните модели на ядрената физика за формирането на тежки елементи.

^{Таблица на нуклидите с магическите числа. Wikimedia Commons, превод НаукаOFFNews}

Двойната "магичност" на никел-78 бе доказана независимо от два екипа с помощта на твърде различни подходи.

Първият е международен екип (IN2P3-CNRS) с преобладаващо френско участие, ръководен от Луис Оливие (Louis Olivier) от Националния институт по ядрена и физика на елементарните частици, който получава ядра на изотопа мед-79 и ги използва като основа за описание на неговия ядрен съсед никел-78. Вторият екип ISOLDE от учени от ЦЕРН и Техническия университет в Дрезден се приближава до проблема с помощта на авангардна техника на претегляния. И двата екипа са публикували своите резултати в списание Physical Review Letters.

"Изотопите с "магическо число" на протоните и неутроните са много интересни, защото могат да разкажат много за това какво се случва във вътрешността на слънцето и другите звезди сега и до края на живота им. Като цяло те разкриват тайните на раждането на елементите и ни позволяват да разберем накъде  се движи Вселената", коментира Ендрю Уелкър, ръководител на екипа ISOLDE.

Проучването е затруднено от краткия живот на никел-78 и трудността при производството му изобщо. В този нов опит и двата екипа прибегнаха до трикове, за да покажат, че никел-78 (Z =28, N =50), кандидат за двойно магическо ядро, е наистина член на този ексклузивен клуб ядра. Откритието е значително, защото никел-78 със състава си от почти две трети съставен от неутрони е един от най-неутронно богатите изотопи с двойно магическо ядра към днешна дата. Магическите числа са параметри на слоестия модел, но тъй като никел-78 има толкова голям излишък на неутрони, физиците очакват неговата структура да се различава от тази на неговите стабилни братовчеди и да се използва за проверка на границите на този модел.

Слоестият модел на ядрото е много успешен при описване на най-стабилните ядра, които следват точно последователността на магическите числа. Експериментаторите обаче с помощта радиоактивни снопове идентифицират радиоактивни ядра, които се изплъзват и отказват да следват нормалната последователност. Причината за това поведение се корени в еволюцията на енергиите на орбитите заедно с промяната на баланса между броя на протоните и неутроните. 

При слоестия модел ядрото всъщност се описва от два отделни набора слоеве, един за протоните и един за неутроните. Протоните и неутроните не са идентични частици и следователно, частиците могат да имат едни и същи квантови числа. Но и протоните, и неутроните са фермиони, поради спина им 1/2 и подчинявайки се на принципа на Паули, не могат да споделят един и същ набор от квантови числа в рамките на една орбитала.

Тъй като все повече неутрони се добавят към изотопа на елемента, се пълни само неутронния слой например и протонният и неутронният компонент на силното взаимодействие насочва енергиите на орбитите като или затваря пролуките събира орбитите, или отваря нови пролуки отблъсквайки ги една от друга.

Нетният резултат е появата и изчезването на магически числа в зависимост от размера на тези пролуки.

Един известен пример за това явление се случва във веригата на кислородните изотопи, в която първото двойно магическо ядро е кислород-16 ( Z=8, N=8). Обаче следващото не е кислород-28 (N=20), както може да се очаква, а кислород-24 (N=16). Всъщност, кислород-24 е последният известен свързан изотоп на кислорода по същата причина, като кислород-24 измества кислород-28 - нормалната празнина N=20 се свива и нова N=16 празнина се отваря, в резултат на свързването на енергия от кислород-28, който е твърде малък, за да запази своите нуклони свързани заедно.

Свръхнова в лаборатория

Веригата на изотопа на никела (Z=28) изглежда повече в съответствие с традицията. Никел-56 (N=28) е двойно магически и следващият очакван е никел-78 (N=50).

Никел-78 е свръхтежък изотоп, който не съществува на Земята, но е един от основните продукти на термоядрените реакции в суперновите.

Той много трудно може да се произведе в лаборатория, но новите изследвания на екипите на Оливие и на Уолкър вече са успели да се доближат достатъчно до този изотоп. Двете групи изследват мед-79, която има само един протон повече от никел-78, и получените експериментални данни предполагат, че за разлика от изотопите на кислорода, орбиталните енергии в никел-78 не са достатъчно модифицирани за затваряне на пролуките Z =28 и N =50 и премахването на неговия двойно магически характер. Използваните от двата екипа методи са много различни, което укрепва изводите още повече.

^{Топлинна карта, показваща производството на екзотични изотопи в съоръжението Radioactive Ion Beam Factory (RIBF), RIKEN Япония. Този механизъм може да произвежда никел-78 ( 78 Ni) в количества, достатъчни за свръхточни измервания на разпада му. The American Physical Society}

Оливие и екипът му използват ядрена реакция, известна като реакция на нокаут, която отстранява протон от високоскоростен цинк-80, произведен в съоръжението Radioactive Ion Beam Factory (RIBF) в Токио, Япония. Полученото ядро мед-79 може да бъде възбудено до състояние с по-висока енергия от базовото му състояние и вероятността ядрото да се намира в дадено крайно състояние зависи пряко от вероятността от кой слой ще се изхвърли протона. В известен смисъл, този метод означава да се наблюдава най-малко свързания протон на ядрото под квантов микроскоп. Чрез сравняване на тези резултати със съвременните изчисления на слоестия модел, Оливие и екипа му показаха, че мед-79 може най-добре да бъде описан като двойно магически никел-78 плюс един протон, добавен към празнината в следващия слой Z = 28.

^{Нивата на заетост, дадени в общия брой на протоните и неутроните във веригата медни изотопи (за един и същ брой N).  Physical Review Letters (2017)}

Използваният от Уолкър и екипа му метод е коренно различен. С помощта на най-съвременни техники за претегляне на ядрата, те измерват масите на веригата медни изотопи от мед-75 до мед-79 в съоръжението на ЦЕРН Isotope Separator On Line Device (ISOLDE). Масата на ядрото е пряк показател за неговото основно състояние на енергия, което представлява минималното енергийно състояние на ядрото, което може да достигне като се имат предвид основните взаимодействия между неговите нуклони. Следователно развитието на масите по изотопната верига е много чувствително към ефектите в слоевете и по-специално към появата на магически числа. Авторите показват резултати, които са съвместими с изчисленията на слоестия модел, в които мед-79 е най-добре описан като двойно магическо ядро на никел-78 с още един протон на върха в пълно съгласие с резултатите на Оливие и колегите му.

Тези два косвени методи предоставят достатъчно доказателства, че никел-78 наистина е двойно магически, но най-силното доказателство ще дойде от прякото изучаване на самото чудовище. Както бе споменато, производството на никел-78 в лаборатория не е лесно, тъй като при повечето ядрени реакции от радиоактивните ядра се премахват неутрони, а не се добавят. Независимо от това, вече произведеният никел-78 е в достатъчно количество, за да се измери неговия полуживот от 122.2±5.1ms  - друг резултат, който е съвместим с неговия двойно магически характер. По-подробни изследвания на този показател на ядрото ще дойдат с усъвършенстването на съществуващите и нови инструменти, като Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) в САЩ, планиран да влезе в експлоатация след няколко години. Едно от първите неща, което физиците ще се опитат да направят с помощта на тези съоръжения, е да намерят първото възбудено състояние на никел-78, което е пряко свързано с магията му.

Още по темата

08/08/2015

Физика

Принципът на Паули. Еволюцията на звездите