![Графика на Сегре, показваща свързаните изотопи на елементите между азота и фосфора. Ан и колегите му са открили натрий-39, който вероятно е изотопът на капковата линия за натрия [1]. Крауфорд и колегите му са измерили пет неизвестни досега времена на живо](http://i2.offnews.bg//nauka/events/2023/08/07/199412/1691217991_3_559x345.jpg "Графика на Сегре, показваща свързаните изотопи на елементите между азота и фосфора. Ан и колегите му са открили натрий-39, който вероятно е изотопът на капковата линия за натрия [1]. Крауфорд и колегите му са измерили пет неизвестни досега времена на живо")
Изследователите са открили най-тежкия известен свързан изотоп на натрия и са определили характеристиките на други богати на неутрони изотопи, предлагайки важни критерии за усъвършенстване на ядрените модели.
Неутронната капкова линия бележи границата на ядреното съществуване - посочва изотопите на даден елемент с максимален брой неутрони. Добавянето на неутрон към изотоп на капковата линия ще доведе до разкъсване на изотопа и освобождаване на един или повече от неговите неутрони. Картографирането на капковата линия е основна цел на съвременната ядрена физика, тъй като тази граница е полигон за изпитване на ядрени модели и има значение за разбирането ни за неутронните звезди и за синтеза на елементи при звездните експлозии.
Сега изследвания на две групи разширяват познанията ни за свойствата на ядрата в близост до капковата линия [1, 2]. Работейки в "Фабриката за радиоактивни изотопни лъчи" (RIBF - Factory of Radioactive Isotope Beam) в Япония, Дент Соун Ан (Deuk Soon Ahn) от RIKEN и колегите му са открили натрий-39 (39Na), който вероятно бележи мястото на капковата линия за най-тежкия елемент досега (схемата горе) [1].
Междувременно, в първите експерименти, проведени в наскоро откритата "Инсталация за редки изотопни лъчи" (FRIB - Facility for Rare Isotope Beams) в Мичиганския държавен университет, Хедър Крауфорд (Heather Crawford) от Националната лаборатория "Лорънс Бъркли" и колегите ѝ са изследвали богати на неутрони изотопи на елементи, близки до натрия, като са направили измервания на неизвестни досега времена на живот на изотопите [2].
Атомното ядро се състои от неутрони и протони, чието сцепление се осигурява от една от четирите фундаментални сили - силната ядрена сила. Броят на протоните (Z) в ядрото определя химичния елемент. Ядрата на даден елемент с различен брой неутрони (N) се наричат изотопи.
Ядрата и техните изотопи могат да бъдат представени в двуизмерната диаграма на Сегре, която показва всички свързани изотопи, включително стабилните - тези, които съставляват по-голямата част от света около нас, и радиоактивните изотопи - които се разпадат до стабилни. За даден елемент могат да се добавят неутрони, докато силната ядрена сила е достатъчно силна, за да свърже ядрото, което в края на краищата води до "изтичане" на неутрони. Тази граница на богатата на неутрони страна на диаграмата е границата на изтичане на неутроните.
Диаграма на нуклидите за въглерод към флуор. Режими на разпадане: протонна емисия . позитронна емисия или улавяне на електрони __ стабилен изотоп бета разпад неутронна емисия. Кредит: National Nuclear Data Center
След повече от столетие ядрени изследвания са открити елементи чак до Z = 118 (оганесон). Затова е странно, че неутронната граница е известна само до неона (Z = 10), където се намира при N = 24.
Две предизвикателства усложняват разширяването на капковата линия: малката вероятност, с която най-богатите на неутрони ядра могат да бъдат произведени в лаборатория, и след като е наблюдаван предполагаем изотоп от капковата линия - затруднението да се изключи съществуването на още по-богати на неутрони изотопи на същия елемент.
За да получат тези неуловими ядра, изследователите използват ускорители, в които интензивни, високоенергийни лъчи от стабилни, но вече богати на неутрони ядра се удрят в твърди мишени, предизвиквайки ядрени реакции с ядрата на мишените, при които се получават множество различни нуклиди.
За да произведат 39Na, Ан и колегите му започват с 16-GeV сноп от 48Ca ядра, които се удрят със скорост 3 × 1012 ядра в секунда върху мишена от Be атоми. След това нуклидите, излизащи от сблъсъците, преминават през поредица от магнитни спектрометри, настроени така, че да максимизират предаването на ядрата на 39Na и да минимизират това на замърсителите. На изхода на спектрометрите ядрените детектори определят стойностите на Z и N на всяко ядро. Екипът докладва за девет случая на откриване на 39Na, събрани в рамките на двудневен експеримент, при който приблизително 5 × 1017 ядра на 48Ca са попаднали върху мишената от берилий - откритие, по-трудно от намирането на пословичната игла в купа сено!
Съществуването на 39Na дава информация за ядрената стабилност и структура, предлагайки важен критерий за ядрените модели. Забележителна особеност на капковата линия, която се намира при N = 16 за кислорода (Z = 8), е, че тя се простира до 22 за флуора (Z = 9); до 24 за неона (Z = 10); и, както разкриват новите данни, до поне 28 за натрия (Z = 11).
Тази особеност предполага, че с увеличаването на Z повишената енергия на свързване позволява на ядрата да включват повече неутрони, оставайки свързани. Предишни изследвания сочат, че такава допълнителна способност за свързване вероятно е следствие от деформацията на ядрата: например за 24O се предполага, че има сферична форма [3], докато за богатите на неутрони ядра със Z ≥ 9 се смята, че имат изпъкнала форма, наподобяваща топка за ръгби. Това поведение може да се обясни в рамките на модела на ядрената обвивка (Nuclear shell model), разработен за първи път от нобеловите лауреати Мария Гьоперт-Майер (Maria Goeppert Mayer) [4] и Ханс Йенсен (Hans D. Jensen) [5] и усъвършенстван през последните 70 години.
Ядрата се изграждат чрез добавяне на протони и неутрони. Те винаги ще запълват най-ниското налично ниво, като първите два протона запълват ниво нула, следващите шест протона запълват ниво 1 и т.н. Както при електроните в периодичната таблица, протоните в най-външната обвивка ще бъдат относително хлабаво свързани с ядрото, ако има само няколко протона в тази обвивка, тъй като те са най-отдалечени от центъра на ядрото. Следователно ядрата, които имат пълна външна протонна обвивка, ще имат по-висока ядрена енергия на свързване от други ядра с подобен общ брой протони. Същото важи и за неутроните.
В моделите, базирани на ядрени обвивки, протоните и неутроните заемат различни нива и деформацията се предизвиква, когато енергийният ред на тези обвивки се промени, което може да се случи при добавяне на неутрони.
Наблюдението на 39Na предлага важно потвърждение на тези модели. По-специално, един сложен модел на обвивките, предложен през 2020 г., правилно предсказва не само позицията на капковата линия за кислорода, флуора и неона, но и съществуването на 39Na [6].
Други по-груби модели обаче не успяват да обяснят новото откритие.
Например крайният модел на капката [7], който разглежда ядрото като течна капка, и така нареченият модел на масата на Хартри-Фок-Боголюбов [8] предсказват, че 39Na е несвързан.
Откриването на 39Na не доказва строго експериментално, че 39Na се намира на капковата линия, тъй като експериментите не изключват възможността да съществуват по-богати на неутрони изотопи на Na. Въпреки това моделът на обвивката, който правилно предсказва 39Na, също така показва, че той е най-богатият на неутрони свързан изотоп на Na [6].
Откриването на изотоп е само първата стъпка в изучаването на ядрената структура. Познаването на свойствата на изотопа, включително неговия период на полуразпад, маса, спин и характеристиките на възбудените му състояния, е необходимо за по-доброто ограничаване на ядрените модели и за оценка на тяхната предсказваща способност. Стартирал през май тази година (вж. Research News: Rare Isotopes for the Choosing), FRIB - проектиран да бъде водещият ускорител в света по отношение на възможностите за производство на екзотични изотопи - ще позволи на изследователите да произвеждат и изучават хиляди ядра, които са далеч от стабилността, някои от които ще бъдат създадени за първи път на Земята.
Кроуфорд и колегите му съобщават за първите резултати от FRIB. Тяхната инсталация също включва 48Ca лъч, но е настроена да произвежда по-тежки изотопи на елементи, богати на неутрони - със Z в диапазона 12-15 (Mg, Al, Si и P) - и да измерва времето им на живот. Екипът съобщава за неизвестни досега времена на живот за пет от тези изотопи. Повечето от получените стойности съвпадат добре с теоретичните прогнози, което е още една демонстрация на прогностичната сила на съвременните изчисления на моделите на обвивката [9]. Въпреки това изследователите наблюдават неочаквано намаляване на времето на полуразпад за 38Mg в сравнение с по-леките изотопи на Mg - малко несъответствие, което налага по-нататъшно усъвършенстване на изчисленията по shell-model.
Експериментите на FRIB все още не могат да изследват достатъчно богати на неутрони ядра, за да се достигне до капковата линия за елементите в областта Z = 12-15. Резултатите обаче идват от първия проучвателен опит на FRIB, при който съоръжението работи с по-малко от 1 % от целевия интензитет на йонния лъч. Постепенното увеличаване на интензивността, планирано за следващите месеци, ще позволи на съоръжението да получи достъп до по-широк набор от изотопи, което потенциално може да доведе до по-нататъшно разширяване на капковата линия.
След като границата на ядреното съществуване вече е известна до Z = 11 (ако приемем, че 39Na наистина се намира на капковата линия), остава да се изследва тера инкогнита от богати на неутрони ядра със Z ≥ 12. Някои от тях ще бъдат създадени от FRIB и други нови ускорители, които ще бъдат пуснати в експлоатация, като например "Съоръжението за изследване на антипротони и йони" в Германия. Други може би завинаги ще останат извън обсега на нашите земни лаборатории. Съществуването и свойствата им ще трябва да бъдат изведени чрез ядрени модели, чиято предсказваща сила ще бъде увеличена от все по-строгите тестове, предлагани от експерименти като тези, разгледани тук.
Справка:
- D. S. Ahn et al., “Discovery of 39NA,” Phys. Rev. Lett. 129, 212502 (2022).
- H. L. Crawford et al., “Crossing N = 28 toward the neutron drip line: First measurement of half-lives at FRIB,” Phys. Rev. Lett. 129, 212501 (2022).
- C. R. Hoffman et al., “Evidence for a doubly magic 24O,” Phys. Lett. B 672, 17 (2009).
- M. Goeppert Mayer, “On closed shells in nuclei. II,” Phys. Rev. 75, 1969 (1949).
- O. Haxel et al., “On the “magic numbers” in nuclear structure,” Phys. Rev. 75, 1766 (1949).
- N. Tsunoda et al., “The impact of nuclear shape on the emergence of the neutron dripline,” Nature 587, 66 (2020).
- P. Möller et al., “New finite-range droplet mass model and equation-of-state parameters,” Phys. Rev. Lett. 108, 052501 (2012).
- S. Goriely et al., “Further explorations of Skyrme-Hartree-Fock-Bogoliubov mass formulas. XIII. The 2012 atomic mass evaluation and the symmetry coefficient,” Phys. Rev. C 88, 024308 (2013).
- S. Yoshida et al., “Systematic shell-model study of β -decay properties and Gamow-Teller strength distributions in A ≈ 40 neutron-rich nuclei,” Phys. Rev. C 97, 054321 (2018).
Източник: Probing the Limits of Nuclear Existence Yorick Blumenfeld CNRS/IN2P3, IJCLab, University of Paris-Saclay, Orsay, France
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари