Флакон сверхчистого кислорода
Недавно обнаруженный изотоп кислорода опровергает все наши представления о том, как он должен себя вести.
Это кислород-28 с самым большим числом нейтронов, когда-либо наблюдавшихся в ядре атома кислорода. И хотя учёные считают, что он должен быть стабильным, он быстро распадается, что ставит под сомнение все наши представления о «магическом» количестве частиц в ядре атома.
Ядро атома состоит из субатомных частиц: протонов и нейтронов. Атомный номер элемента определяется числом протонов, а число нейтронов может варьироваться. Элементы с разным числом нейтронов называются изотопами; у кислорода есть 8 протонов, но может быть разное число нейтронов.
Ранее наибольшее число нейтронов наблюдалось в изотопе кислород-26: 18 (8 протонов плюс 18 нейтронов = 26 нуклонов).
Теперь группа специалистов под руководством физика-ядерщика Йосуке Кондо из Токийского технологического института (Япония) обнаружила два ранее не встречавшихся изотопа кислорода: кислород-27 и кислород-28 — содержащие 19 и 20 нейтронов соответственно. Работа проводилась на пучковой фабрике радиоактивных изотопов RIKEN - циклотронном ускорителе, предназначенном для получения нестабильных изотопов.
Сначала команда выпустила пучок изотопов кальция-48 на бериллиевую мишень, чтобы получить более лёгкие атомы, в том числе фтор-29 — изотоп фтора с 9 протонами и 20 нейтронами.
Схема эксперимента.
Затем этот фтор-29 отделили, и столкнули с мишенью из жидкого водорода, чтобы отбить протон в попытке создать кислород-28.
Попытка оказалась успешной, но неожиданной. И кислород-27, и кислород-28 нестабильны, они существуют какое-то мгновение, прежде чем распасться на кислород-24 и 3 или 4 свободных нейтрона, и вот тут-то для кислорода-28 всё становится интересным.
И 8, и 20 — «магические» числа для протонов и нейтронов соответственно, и это свойство говорит о том, что кислород-28 должен быть стабильным.
Общее число каждого из них зависит от того, как каждый добавленный нуклон влияет на стабильность протонных и нейтронных квот, называемых «оболочками».
Магическое число в ядерной физике — это число нуклонов, которые полностью заполняют оболочку, причём каждая новая оболочка отличается от предыдущей большим энергетическим зазором.
Атомное ядро с протонной и нейтронной оболочками, содержащими магические числа каждого из них, называется вдвойне магическим, и ожидается, что оно будет особенно стабильным.
Большая часть кислорода на Земле, в том числе и в воздухе, которым мы дышим, — это дважды магическая форма кислорода, кислород-16.
Долгое время ожидалось, что следующим после кислорода-16 изотопом кислорода станет дважды магический кислород-28, однако предыдущие попытки найти его не увенчались успехом.
Работа Кондо и его коллег может объяснить причину этого. Полученные ими результаты свидетельствуют о том, что оболочка нейтрона не была заполнена. Это ставит под сомнение, что число 20 магическое для нейтронов.
Интересно, что это соответствует явлению, известному как остров инверсии для изотопов неона, натрия и магния, где оболочки из 20 нейтронов не закрываются. Это также распространяется на фтор-29, а теперь, по-видимому, и на кислород-28.
Дальнейшее понимание странностей незакрытой нейтронной оболочки придётся ждать до тех пор, пока исследователи не смогут исследовать ядро в возбуждённом состоянии с более высокой энергией. Другие способы образования кислорода-28 также могут быть показательными, хотя это гораздо сложнее реализовать.
Пока же увлекательные и с большим трудом полученные результаты показывают, что дважды магические ядра могут быть устроены гораздо сложнее, чем мы предполагали.
