ЦЕРН подтвердил двойную магичность олова-132
Первым результатом обновленного ускорителя ISOLDE в ЦЕРН стало прямое доказательство двойной магичности олова-132. Об успешном эксперименте сообщается в статье в Physical Rewiev Letters и релизе пресс-службы орагнизации.
Теория устойчивости атомных ядер опирается на оболочечную модель. Согласно модели протоны и нейтроны располагаются на определенных уровнях, и, как в теории электронных оболочек в химии, количество и заполненность играет ключевую роль в предсказании свойств ядер. Характерной особенностью оболочечной модели является существование магических чисел — такого количества протонов или нейтронов, при котором ядро становится очень стабильным по отношении к ближайшим соседям. Магические числа соответсвуют заполненым оболочкам, а ядрам-счастливчикам, магичным по протонам и нейтронам (таких всего 10), уделяется особое внимание.
Олово (Sn) магично по атомному номеру (50), существует два дважды магических изотопа (Sn-100 и Sn-132). Изотоп Sn-132 наиболее интересен для исследователей, так как является ориентиром для теоретических подходов в физике более тяжелых и более насыщенных нейтронами систем. Регион вблизи олова-132 на карте атомных ядер играет решающую роль в описании нуклеосинтеза, а именно образования тяжелых ядер и точного описания элементного изобилия в Солнечной системе (вследствие так называемого r-процесса, rapid neutron-capture process). Поэтому ученым важно наиболее точно определить структуру ядерной оболочки олова-132 для более точного моделирования r-процесса.
Для проведения эксперимента физики взяли изотопы олова-132, произведенные с помощью установки ISOLDE (Isotope Separator On-Line Detector) и ускорили их в HIE-ISOLDE до энергии 5,49 мегаэлектронвольт на нуклон, а затем сфокусировали их на мишени из свинца-206 (206Pb) внутри матрицы детекторов гамма-излучения MINIBALL. Это возбудило нуклоны в ядрах олова-132 в состояния с более высокой энергией. Исследователи впервые анализировали силу возбуждения, измеряя количество испускаемых возбужденным состоянием гамма-квантов. Анализ позволил обнаружить более выраженные возбуждения в олове-132 по сравнению с таковыми у его ядерных соседей. Это было предсказано теорией и является важнейшей особенностью дважды магических ядер.
Ученым удалось получить то, на что они надеялись — имеющиеся в арсенале исследователей теоретические инструменты адекватны для моделирования нуклеосинтеза. И, согласно комментарию одного из участников коллаборации на сайте ЦЕРН, получить такой результат было непросто и благодарить стоит уникальную комбинацию первичной установки ISOLDE для производства радиоактивных изотопов, нового ускорителя HIE-ISOLDE, обеспечившего идеальную энергию на нуклон для этого типа эксперимента и высокую эффективностью и превосходное энергетическое разрешение детектора MINIBALL.
Ранее мы писали о том, как установка ISOLDE наращивала мощности и готовилась к подобным экспериментам и о том, зачем ученые изучают r-процесс и как доказывали двойную магичность никеля-78. Если еще не пробовали, обязательно создайте свой тяжелый элемент в игре от N+1 и Издательства Яндекса и почувствуйте себя ученым (или алхимиком).
Екатерина Жданова
Обычно рентгеноструктурный анализ требует сотен тысяч атомов
Химики из США, Китая и Франции использовали синхротронное излучение для характеризации отдельных ионов железа и тербия в составе комплексных соединений, нанесенных на поверхность золота. Ученые смогли детектировать электронные переходы этих атомов только тогда, когда тонкий металлический детектор располагался точно над атомами металлов. Исследование опубликовано в журнале Nature. Синхротронное излучение позволяет проводить рентгеноструктурные исследования на очень небольших образцах вещества, содержащих около 104 атомов. Но если для регистрации фотоэлектронов использовать очень тонкий металлический детектор, разрешение можно повысить еще сильнее — до всего нескольких десятков атомов в образце. Тем не менее детектировать сигналы от одиночных атомов ученые не умели до сих пор. Но недавно физики и химики под руководством Фолькера Розе (Volker Rose) использовали синхротрон APS в Аргоннской национальной лаборатории для проведения рентгеновского анализа отдельных атомов. Для этого ученые приготовили комплексы железа и тербия с замещенными пиридиновыми лигандами на поверхности золота. Первый эксперимент с синхротронным излучением ученые провели на поверхности с комплексами железа. Они разместили детектор на большом расстоянии (пять нанометров) от образца, при котором невозможно туннелирование фотоэлектронов между поверхностью и детектором. В полученной зависимости энергии фотоэлектронов от тока в детекторе химики наблюдали сигналы от электронных переходов всех ионов железа, расположенных вблизи детектора. В следующем эксперименте физики расположили детектор намного ближе к образцу — так, чтобы фотоэлектроны могли туннелировать. Во время эксперимента ученые обнаружили, что при движении детектора сигналы переходов меняются. Причем сигналы, соответствующие электронным переходам иона железа, появлялись только тогда, когда детектор располагался точно над ионом железа. Тот же самый эксперимент удалось провести и с комплексом тербия. И, как и в случае комплексов железа, сигналы от электронных переходов тербия возникали только при точном расположении детектора над его катионами. Далее ученые решили применить синхротронное излучение для анализа электронной структуры комплексов. Для этого они использовали спектроскопию рентгеновского поглощения в ближней к краю области и проанализировали тонкую структуру полученных сигналов. В результате оказалось, что железо в комплексе имело степень окисления +2, а тербий — +3. Кроме того, удалось выяснить, что 3d-орбитали иона железа взаимодействуют с лигандами, а 4f-орбитали тербия — нет. Так ученые показали, что синхротронное излучение и правильно спроектированный детектор позволяют проводить рентгеноструктурные исследования на отдельных атомах. При этом можно узнать не только то, где они расположены, но и выяснить детали их электронной структуры. Недавно мы рассказывали о том, как сибирские ученые создали клистрон для Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ). А прочитать подробнее про историю рентгеноструктурного анализа можно в нашем материале «Деплатформинг структур».