Нов свръхтежък изотоп разкрива сложна връзка между квантовите ефекти и деленето

Oткрит е нов свръхтежък изотоп, ²⁵⁷ Sg (сиборгий), чиито свойства предоставят нова информация за ядрената стабилност и деленето на най-тежките елементи. 

Статията, описваща постижението на учени от GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Германия, е публикувана в Physical Review Letters.

Свръхтежките елементи съществуват в деликатен баланс между привличащата ядрена сила, която държи протоните и неутроните заедно, и отблъскващата електромагнитна сила, която раздалечава положително заредените протони.

Без квантовите ефекти на ядрото, аналогични на електронните обвивки в атомите, тези масивни ядра биха се разделили за по-малко от една трилионна част от секундата.

Проучването разкрива непълното ни разбиране за това как се държат най-екстремните атомни ядра, като откритията предполагат, че квантовите ефекти, които предпазват свръхтежките ядра от незабавно разпадане, може да действат по различен начин, отколкото се смяташе досега.

Изследване на ядрената стабилност

Международният изследователски екип използва газопълнения сепаратор TASCA на Института за изследване на тежки йони GSI (Gesellschaft für Schwerionenforschung), за да създаде ²⁵⁷ Sg чрез реакции на синтез между ядра хром-52 и олово-206.

Те откриват, че новият изотоп съществува 12,6 милисекунди, по-дълго от неговия съсед ²⁵⁸ Sg, и се разпада както чрез спонтанно делене, така и чрез емисия на алфа-частици.

Пътят на алфа разпад се оказа особено показателен. Когато ²⁵⁷Sg излъчва алфа частица, той се трансформира в ²⁵³Rf (ръдърфордий), който след това се разделя само след 11 микросекунди.

Това наблюдение подкрепя скорошни открития, които поставят под въпрос традиционното разбиране за това как ъгловият момент влияе на деленето. Очаквало се е по-високите квантови числа K да осигурят по-силна пречка за деленето, но нововъзникващите данни показват, че тази връзка може да е по-сложна, отколкото се смяташе преди.

"Изследвахме изотопите ²⁵⁷ Sg и ²⁵³ Rf и установихме, че като цяло K-квантовите числа наистина възпрепятстват деленето", разказва съавторът д-р Павол Мосат (Pavol Mosat) от GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung. "Абсолютната стойност на пречките обаче все още е неизвестна."

Първият K-изомер в сиборгий

Може би още по-значимо е откритието на екипа на първото K-изомерно състояние в изотоп на сиборгий. K-изомерите са специални ядрени конфигурации с висок ъглов момент, които се съпротивляват на деленето много по-ефективно от обикновените ядрени състояния.

В ²⁵⁹ Sg изследователите са открили сигнал за конверсионен електрон, появяващ се 40 микросекунди след образуването на ядрото, което е силно доказателство за K-изомерно състояние, което може да бъде стабилно срещу деленето стотици пъти по-дълго от основното състояние.

"K изомерни състояния вече са наблюдавани в свръхтежки ядра като ^252–257 Rf и ²⁷⁰ Ds", отбелязва съавторът д-р Джадамба Хуягбаатар (Khuyagbaatar Jadamba) от GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung. "Наблюдавахме K-изомер изключително в ядра със 106 протона, т.е. в изотопи на Sg за първи път."

Това откритие запълва ключова празнина в разбирането на учените за свръхтежките елементи и би могло да има дълбоки последици за бъдещите усилия за откриване на елементи.

Последици за "островът на стабилност"

Откритието идва в критичен момент в изследванията на свръхтежките елементи.

Учените отдавна търсят теоретичния "остров на стабилност" – регион, където определени свръхтежки ядра биха могли да съществуват за продължителни периоди поради благоприятни обвивни ефекти. Новите открития обаче показват, че този пейзаж може да е по-сложен от очакваното.

"Възможно е свръхтежкото ядро, например изотоп на все още неоткрит елемент, да живее по-малко от 1 μs [микросекунда]", посочва Хуягбаатар.

"Ако е така, тогава откриването на елемент 120 вероятно ще се сблъска с предизвикателства при разделянето и откриването. Ако обаче в това ядро ​​съществува K-изомерно състояние, то би могло да съществува по-дълго, както наскоро демонстрирахме с ²⁵² Rf."

Изследователите смятат, че все още неоткритият ²⁵⁶ Sg може да има драстично по-кратък период на полуразпад от теоретичните прогнози, потенциално спадайки от прогнозираните 6 микросекунди до само една наносекунда.

Такова значително отклонение в стабилността би представлявало важно ново прозрение в ядрената физика.

Технически предизвикателства и бъдеща работа

Експерименталното постижение изисква преодоляване на значителни технически предизвикателства. Работата с ядра, които съществуват едва за милисекунди, изисква изключително бързи системи за детекция и прецизно определяне на времето.

"В случай на краткоживеещи ядра е много важно да има сепаратор с относително къса дължина и, по-важното, да има бърза цифрова електроника, която може да разплита сигналите за радиоактивен разпад до около 100 ns", обяснява Хуягбаатар.

Екипът разработи специализирана цифрова електроника в GSI, която се оказа ключова за откриването на множество свръхтежки елементи.

Следващата цел на екипа е синтезирането на ²⁵⁶ Sg, за да се провери дали предвиденото драматично намаляване на стабилността действително се случва.

"Всъщност ще се опитаме да проучим допълнителни случаи на дългоживеещи K-изомерни състояния в свръхтежки ядра", отбелязва Мосат. "Що се отнася до текущата тема, най-близкият ни план ще бъде да се опитаме да синтезираме следващия неизвестен ²⁵⁶ Sg."

Справка: P. Mosat et al, Probing the Shell Effects on Fission: The New Superheavy Nucleus ²⁵⁷Sg, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/s7hr-y7zq

Източник: New superheavy isotope reveals complex relationship between quantum effects and fission, Tejasri Gururaj, Phys.org

Още по темата

11/11/2024

Физика

Учени са намерили начин да създадат нови свръхтежки елементи

24/07/2024

Физика

Нов начин за създаване на елемент 116 дава метод за получаване на неоткрити свръхтежки елементи

12/10/2023

Физика

Астероидите може би крият невиждани елементи отвъд периодичната таблица

02/12/2016

Физика

Чавдар Стоянов за магическите числа на елементите и сътрудничеството с Дубна