Физики открыли изотоп уран-241
А заодно измерили массы множества тяжелых изотопов, богатых нейтронами
Физики из Англии, Кореи и Японии сообщили об обнаружении и измерении свойств нового изотопа урана с массовым числом, равным 241. Ранее его свойства были известны только по экстраполяции данных о его соседях по таблице нуклидов. В ходе эксперимента авторы измерили массы в общей сложности 19 нуклидов, для многих из которых это было сделано впервые. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.
Сегодня физикам известно около 300 нуклидов естественного происхождения и около 3000 — полученных в лабораториях. Тяжелейший из найденных на сегодня — это оганессон-294, который вместе с еще несколькими новыми элементами занял место в таблице Менделеева лишь в 2016 году. В целом теоретики предсказывают существование еще около 4000 новых нуклидов, преимущественно в области богатых нейтронами ядер.
Особый интерес представляет поиск и исследование изотопов вблизи протонной и нейтронной границ стабильности ядер, поскольку это самый строгий ориентир для различных ядерных моделей. Не так давно физики из RIKEN смогли получить богатый нейтронами натрий-39 — заряд этого ядра Z равен 11.
Исследования, проводимые Тоситакой Нивасэ (Toshitaka Niwase) из Японской организация по физике высоких энергий KEK и его коллегами из Англии, Кореи и Японии, касаются более тяжелых ядер. Для этого они применяют сравнительно новый метод синтеза тяжелых нуклидов, основанный на реакциях многонуклонного переноса. В таких реакциях обмен нуклонами между ядром-снарядом и ядром-мишенью протекает в обе стороны. В результате физикам удалось измерить массы 19 богатых нейтронами изотопов в диапазоне зарядов Z от 91 до 94 и диапазоне масс A от 235 до 242, также открыть новый изотоп — уран-241.
Ученые проводили эксперимент на установке по ядерной спектроскопии KISS (KEK Isotope Separation System). Они разгоняли пучок ядер урана-238 интенсивностью около 1,9×1010 частиц в секунду по синхротронному кольцу до энергий 10,75 мегаэлектронвольта на нуклон и воздействовали им на вращающуюся мишень из платины-198, обогащенной до 91,63 процента, толщиной 12,5 миллиграмма на квадратный сантиметр. Продукты реакции физики направляли в мультирефлекторный времяпролетный спектрометр, который с высокой точностью определял их массу.
Для большей части полученных изотопов эксперимент стал первым прямым измерением массы. Это же касается и изотопов урана-242 и урана-241, чьи массы в общем перечне известны только благодаря экстраполяции данных о соседних нуклидах. Последний ранее не наблюдался в эксперименте, поэтому работа группы Нивасэ стала, фактически, его открытием.
В будущем физики планируют использовать другие ядра в комбинации снаряд-мишень, чтобы добиться синтеза ядер с числом нейтронов, равным 152 и более. Ожидается, что в этой области ядра будут деформироваться, чтобы обеспечить замыкание нуклонных оболочек.
Поправка
В изначальном варианте заметки было сказано, что в лабораторных условиях получено около 3000 тысяч новых нуклидов. Это опечатка, речь идет о трех тысячах. Приносим извинения читателям.
Недавно мы рассказывали, как физики предложили возбуждать ядра тория-229 с помощью лазера, а также измерять время жизни рекордно стабильного изомера тантала-180m с помощью нейтринного детектора.
За двое суток эксперимента они увидели девять таких частиц
Физики из RIKEN и их коллеги из Германии, США и Японии сообщили о достоверном наблюдении девяти событий, соответствующих рождению богатого нейтронами изотопа натрия-39. Этот результат поможет определить нейтронную границу стабильности — один из важнейших параметров, который пытаются воспроизвести различные теории ядерных взаимодействий. Исследование опубликовано в Physical Review Letters. Упаковка нуклонов в ядре немного похожа на то, как электроны располагаются на своих орбитах в атоме, в том смысле, что и то, и другое — это квантовые частицы, фермионы, подчиняющиеся принципу запрета Паули. У нуклонов, однако, нет единого центра притяжения: они связываются друг с другом и за счет этого локализуются. Строго говоря, нуклон-нуклонное взаимодействие — это главная сила, определяющая свойства атомных ядер, в то время как электрон-электронное отталкивание обычно много меньше, чем притяжение электронов к ядру. Наконец, взаимодействие двух заряженных частиц определяется простым законом Кулона, изотропным и обратно пропорциональным квадрату расстояния. Ядерные же силы физики до конца не понимают, но уже сейчас можно с уверенностью сказать, что форма соответствующих потенциалов, если таковые вообще существуют, явно должна быть нетривиальной. Непростую судьбу теорий ядерных сил осложняют трудности с их проверками, поскольку доступ у ученых к процессам внутри ядер не такой большой, как в случае атомов. Сейчас мы знаем, что некоторые ядерные изотопы более стабильны, некоторые менее, а некоторые не могут существовать в принципе. Граница, разделяющая последние две категории, носит название границы стабильности (drip line). Ее можно представить в виде линии на N-Z диаграмме атомных ядер, охватывающую долину стабильности. Граница стабильности остается важным ориентиром для теорий, которые пытаются ее предсказать. Поиск нейтронной границы стабильности (еще бывает аналогичная граница для протонов) происходит путем синтеза ядер, богатых нейтронами, однако чем больше заряд ядра Z, тем сложнее это делать. Физики успешно прочерчивали ее для изотопов с небольшим числом протонов вплоть до конца прошлого столетия, когда стало понятно, что для кислорода (Z = 8) дальше изотопа 24O стабильных ядер нет. Три года назад ученым из Германии, США и Японии под руководством Тосиюки Кубо (Toshiyuki Kubo) из института RIKEN удалось продвинуться дальше по таблице Менделеева и обнаружить границу стабильности для фтора (Z = 9) и неона (Z = 10): 31F и 34Ne, соответственно. Сейчас же эта коллаборация сообщила, что им удалось отодвинуть эту границу для натрия (Z = 11), обнаружив его стабильный изотоп 39Na. Новое исследование по большей части повторяет предыдущий эксперимент. Физики готовили интенсивный пучок ионов кальция-48 с энергией в 345 мегаэлектронвольт на нуклон и направляли его на 20-миллиметровую бериллиевую мишень. В результате рассеяния образовывалось множество осколков в виде изотопов, которые попадали в сепаратор, сортирующий их по заряду и отношению массы к заряду. Новый подход отличался повышенной экспозицией, которая соответствовала взаимодействию 5,25 × 1017 ионов кальция-48 с мишенью в течение 46,1 часа. Кроме того, работа сепаратора была настроена так, чтобы иметь максимальную чувствительность в области натрия-39. В результате ученые надежно увидели девять событий, соответствующих такому изотопу, против одного в прошлый раз. В качестве дополнительного результата авторы убедились, что 34Ne — это нейтронная граница для Z = 10. Для этого они настроили сепаратор на поиск изотопов с большим числом нейтронов (в первую очередь, неона-36) и провели еще одну серию измерений, длившуюся чуть более суток. Отрицательный результат этого опыта укрепил достоверность границы стабильности в неоне. Физики подчеркивают, что новый эксперимент не утверждает, что натриевая граница стабильности пролегает в изотопе натрий-39, хотя часть моделей ожидает именно этого. Согласно им при Z = 11 теряется магичность 28 нейтронов, которые в ином случае формируют замкнутую оболочку, а само ядро деформируется и приобретает квадрупольный момент. Тем не менее, доказать, что граница стабильности проходит именно по изотопу 39Na могут лишь эксперименты по поиску изотопа 41Na. Ранее мы рассказывали, как другой граничный изотоп, а именно гелий-8, помог физикам увидеть тетранейтрон, то есть связанную систему четырех нейтронов.
