Ученые открыли нестабильный изотоп магния, ядро которого состоит из 12 протонов и 6 нейтронов. Энергия возбужденного состояния этого ядра оказалась больше, чем у изотопа магния с 8 нейтронами, которое должно быть магическим. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.
Одной из основных моделей строения атомного ядра является оболочечная модель, в которой поведение энергетических уровней нейтронов и протонов внутри него аналогично поведению электронных уровней энергии в атоме. Квантовое состояние каждого нуклона характеризуется энергией, моментом импульса, его проекцией на произвольную координатную ось, а также проекцией спина на эту ось. Нуклоны подчиняются статистике Ферми — Дирака, а это означает, что определенное квантовое состояние может быть занято только одной такой частицей. Благодаря этому нейтроны и протоны независимо заполняют оболочки, которые характеризуются радиальным квантовым числом и полным моментом импульса нуклона, и когда очередная оболочка заполняется, энергия связи следующего нуклона в ядре существенно понижается.
Ядра, в которых нейтроны или протоны заполняют целое число оболочек, называются магическими (или дважды магическими, если нуклонами заняты как протонные, так и нейтронные оболочки). Благодаря большой разнице в энергиях связи между магическими ядрами и ядрами с соседними Z и N, первые существенно более стабильны. Предсказанные оболочечной моделью числа протонов и нейтронов это Z, N = 2, 8, 20, 28, 50, 82 и так далее. Эта модель, однако, не является абсолютно точной, и в некоторых экспериментах ученые наблюдали, что ядра с Z = 20 и N = 28 не магические, а особой стабильностью отличаются ядра с Z = 14, 16 и N = 32, 34, соответственно.
Еще одно нарушение магического правила было найдено группой физиков из Китая и США под руководством Кайла Брауна (Kyle Brown) из Университета штата Мичиган, которые открыли неизвестный ранее изотоп магния в Циклотронной лаборатории этого университета. Ученые сталкивали пучки ионов стабильного изотопа магния 24Mg, которые разгонялись в циклотроне приблизительно до половины скорости света, соответствующей энергии 170 мегаэлектронвольт на нуклон, с мишенью, представлявшей собой бериллиевую фольгу. При столкновении рождались более легкие изотопы, из которых с помощью фрагмент-сепаратора выделялся пучок изотопов 20Mg с энергией 103 мегаэлектронвольта на нуклон. Этот пучок затем претерпевал столкновение со второй бериллиевой мишенью, находящейся примерно в 30 метрах от первой мишени, при котором из 20Mg выбивались два нейтрона, и магний превращался в новый изотоп 18Mg.
Этот изотоп оказался очень короткоживущим, и его ядра распадались внутри бериллиевой мишени на два протона и неон 16Ne, который затем распадался на кислород 14O и еще два протона. Распад 18Mg → 14O + 4p является всего вторым зарегистрированным распадом ядра, среди продуктов которого есть четыре протона. По энергии продуктов распада ядра нового изотопа ученые определили энергию его связи, для которой они нашли два значения, и интерпретировали их как энергии связи основного и возбужденного состояний со спином 2. Эти энергии оказались равны 4,865 ± 0,034 и 6,71 ± 0,14 мегаэлектронвольта, соответственно. Ученые также смогли измерить «ширины» обоих состояний, которые связаны со временами их жизни, но с существенно более низкой точностью: для основного и возбужденного состояний найденные физиками значения этих величин равны 115 ± 100 и 266 ± 150 килоэлектронвольт, соответственно. Частицы с такими ширинами живут секстиллионные доли секунды.
Очень важным свойством нового изотопа магния, имеющего в своем составе 6 нейтронов, оказалось то, что разница между энергиями связи основного и возбужденного состояний его ядра больше, чем для изотопа, включающего 8 нейтронов, ядро которого должно быть магическим, согласно оболочечной модели. Ученые рассчитывают, что будущие эксперименты с изотопами кремния, ядро которого состоит из 14 протонов, позволят определить, является ли нарушение магичности для магния уникальным для ядер такого размера или нет.
Андрей Фельдман
Причиной ферромагнетизма стали p-орбитали атомов хлора
Физики создали многослойную структуру, которая продемонстрировала ферромагнитные свойства при комнатной температуре. Для этого кристалл NaCl2 поместили между двумя мембранами из оксида графена. При этом ферромагнетизм ученые объяснили локализацией спиновых моментов в атомах Cl, что, в свою очередь, обусловлено p-орбиталями элемента (в отличие от Fe, Co или Ni, в которых подобные свойства возникают за счет d-орбиталей). Благодаря таким экзотическим параметрам двумерный материал может оказаться полезным для электроники и спинтроники. Результаты исследования опубликованы в Nature Communications.