Физики получили самый тяжелый изотоп кальция
Физики впервые синтезировали самый тяжелый на сегодняшний день изотоп кальция 60Ca, ядро которого содержит 20 протонов и 40 нейтронов. Также впервые были получены самые тяжелые изотопы для других элементов: фосфора, серы, хлора, аргона, калия и скандия. Полученные результаты подтвердили теоретические модели, которые существуют для границы стабильности атомных ядер. Это означает, что, вероятнее всего, для кальция возможно образование и более тяжелых ядер, вплоть до 70Ca, пишут ученые в Physical Review Letters.
Максимальное количество нейтронов в ядре каждого элемента, при котором это ядро будет жить хоть какое-то время, определяется силами, связывающими нуклоны между собой. Для описания устойчивых конфигураций атомных ядер существует несколько теоретических моделей, ни одна из которых на сегодняшний день не может однозначно определить границу нуклонной устойчивости. Самые устойчивые нуклонные конфигурации часто описываются с использованием магических чисел, которые соответствуют полностью заполненным оболочкам нейтронов или протонов.
Например, ядро кальция интересно тем, что число протонов в нем всегда магическое — 20, а при определенных числах нейтронов ядро кальция становится «дважды магическим». Для этого в ядре должно быть 20, 28, 32 или 34 нейтрона. Так, в природе чаще всего встречается изотоп кальция, который имеет массовое число 40 — с 20 протонами и 20 нейтронами, самый тяжелый из устойчивых изотопов кальция содержит 28 нейтронов. У радиоактивных изотопов кальция с коротким периодом полураспада, число нейтронов в ядре может быть и больше: например, существование устойчивых ядер предполагалось для ядер с 40 и 50 нейтронами, однако получить их экспериментально не удавалось.
Каждое открытие самых легких и самых тяжелых изотопов для отдельных элементов позволяет сместить границу нуклонной стабильности и подтвердить или опровергнуть существующие теоретические модели. Группа физиков из России, США, и Японии под руководством Олега Тарасова (O. B. Tarasov) из Университета штата Мичиган предложили новый метод синтеза тяжелых изотопов с большим количеством нейтронов. Для этого ученые облучали вращающуюся мишень из бериллия 9Be пучком ядер цинка 70Zn с энергией 345 электронвольт. Образующиеся при этом частицы фиксировались с помощью спектрометра для идентификации частиц.
В результате ученым зарегистрировали восемь новых изотопов, которые не удавалось получить ранее. Все эти изотопы (фосфор 47P, сера 49S, хлор 52Cl, аргон 54Ar, калий 57K, кальций 59,60Ca и скандий 62Sc) оказались самыми тяжелыми из известных на сегодняшний день для своих элементов. Также было зарегистрировано одно ядро 59K, однако эти данные пока нельзя считать статистически значимыми. Самым важным из синтезированных ядер ученые называют именно изотоп кальция 60Ca, устойчивость которого косвенно подтверждает «магичность» числа нейтронов 40. Время жизни такого изотопа составляет несколько тысячных секунды.
По словам авторов работы, полученные результаты позволили подтвердить некоторые из теоретических моделей, которые предполагают, что для кальция возможно образование и более тяжелых ядер, вплоть до 70Ca.
Стоит отметить, что интерес вызывают не только изотопы с большим количеством нейтронов, но нейтрон-дефицитные ядра. Так, в 2015 году физикам удалось синтезировать сразу несколько изотопов, которые, наоборот, были самыми легкими из известных для урана, нептуния, берклия и америция. Эти ядерные структуры, которые находятся на границе нуклонной стабильности могут помочь в развитии теоретических моделей ядра атома.
Александр Дубов
Ее до сих пор не удавалось зарегистрировать из-за акустичности, электро-нейтральности и отсутствия взаимодействия со светом
Физики экспериментально обнаружили в рутенате стронция Sr2RuO4 особый вид плазмона — демон Пайнса. Существование этой частицы было предсказано 67 лет назад, но из-за акустичности, электро-нейтральности и из-за отсутствия взаимодействия со светом ее до сих пор не удавалось зарегистрировать. Чтобы обнаружить демона, ученые применили метод спектроскопии характеристических потерь энергии электронов с разрешением по импульсу. Статья опубликована в журнале Nature. В 1952 году американские физики Дэвид Пайнс и Дэвид Бом описали коллективное поведение электронного газа в плазме, которое можно представить в виде квазичастицы, которую назвали плазмоном. Некоторые виды плазмонов уже научились регистрировать. В 1956 году Пайнс предположил, что в металлах могут существовать особые плазмоны, которые возникают при колебании электронов из разных зон в противофазе, что приводит к модуляции заселенности этих зон. Такие плазмоны назвали демонами: они не обладают ни массой, ни электрическим зарядом, да и со светом не взаимодействуют, — поэтому их крайне сложно зарегистрировать обычными методами. Группа физиков под руководством Петра Аббамонте (Peter Abbamonte), профессора Университета Иллинойса, изучала рутенат стронция Sr2RuO4. Этот металл обладает тремя вложенными зонами, пересекающими энергию Ферми, и поэтому может быть кандидатом на появление в нем демона. Ученые использовали метод электронной спектроскопии потерь энергии электронов с высоким разрешением по импульсу в режиме отражения. Этот метод позволяет измерять как поверхностные, так и объемные возбуждения в металле при ненулевой передаче импульса q, где сигнатура демона ожидалась наиболее четкой. Спектры потерь энергии электронов при большой передаче энергии и больших переданных импульсах — более 0,28 единиц обратной решетки — демонстрируют бесхарактерный энергонезависимый континуум. При малых переданных импульсах — q менее 0,16 единиц обратной решетки — ученые обнаружили широкую плазмонную особенность с максимумом в районе 1,2 электронвольта. Ученые обнаружили, что в низкоэнергетическом режиме, при q менее 0,08 единицы обратной решетки, метод выявляет акустическую моду. Дисперсия моды оказалась линейной в большом диапазоне импульсов, с групповой скоростью примерно в 100 раз больше скорости акустических фононов, которые распространяются со скоростью звука, но на три порядка меньше, чем для поверхностного плазмона, распространяющегося со скоростью, близкой к скорости света. Однако скорость моды находится в пределах 10 процентов от предсказанной расчетами скорости для демона. Как отмечают ученые, это возбуждение явно электронное и это как раз и есть демон, предсказанный Пайнсом 67 лет назад. Наблюдение демона стало возможным, благодаря высокому разрешению в миллиэлектронвольт в используемом методе. Однако для дальнейшего изучения демонов ученые предлагают повысить точность, используя высокоэнергетические электроны в сканирующем просвечивающем электронном микроскопе с высоким разрешением, работающем в расфокусированной конфигурации. Физики отмечают, что требуется новая теория демонов, которая точнее опишет полученные экспериментальные данные. Эти квазичастицы могут быть ответственны за возникновение сверхпроводимости и играть важную роль в низкоэнергетической физике многих многозонных металлах. Изучение демонов и других видов плазмонов важно для описания коллективного поведения электронов в разных веществах. Например, недавно мы писали как физикам удалось увидеть часть плазмонной матрицы плотности.