Физики открыли нарушение магического правила для ядер изотопов магния

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.

Ранее мы рассказывали о том, как ученые доказали двойную магичность ядер никеля-78 и олова-132.

Андрей Фельдман