Дважды магический изотоп кислорода ²⁸O оказался нестабильным

Японские физики синтезировали самый тяжелый на сегодняшний день изотоп кислорода ²⁸O с магическим числом и нейтронов, и протонов. Он оказался нестабильным, несмотря на предсказанные для него магические свойства, и моментально распадался на четыре нейтрона и кислород ²⁴O. По мнению авторов статьи в Nature, эти результаты указывают на сложную структуру нейтронной оболочки ²⁸O с близкими по энергии возбужденными состояниями.

Стабильность изотопов физики описывают разными теоретическими моделями. В частности, некоторые из них предсказывают высокую стабильность изотопов с определенным — магическим — числом протонов и нейтронов. Для протонов магическими являются числа Z = 2, 8, 20, 50, 82, 114, 126, а для нейтронов — числа N = 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. В атомах с такими числами нейтронные и протонные оболочки ядра полностью заполнены, а основное и возбужденные состояния сильно отличаются по энергии — это приводит к повышенной стабильности ядра. Особенно устойчивыми являются дважды магические ядра, в которых одновременно заполнены и протонная, и нейтронная оболочки — например, самый распространенный изотоп кислорода ¹⁶O.

Для кислорода также известны более тяжелые изотопы с большим количеством нейтронов. Все они, начиная с ¹⁹O и заканчивая ²⁶O, неустойчивы. При этом, согласно теоретическим представлениям, дважды магическое ядро ²⁸O может быть устойчивым, хотя оно и содержит очень большое количество нейтронов. Тем не менее получить этот изотоп до сих пор не получалось.

Впервые синтезировать кислород ²⁸O удалось физикам под руководством Ёсуке Кондо (Yosuke Kondo) из Института физико-химических исследований RINKA в Японии. Для этого ученые облучали вращающуюся мишень из бериллия ⁹Be пучком ядер кальция ⁴⁸Ca. При этом получались разные легкие ядра, из которых с помощью спектрометра физики отсеяли ядра фтора ²⁹F и направили их на мишень из жидкого водорода. При этом из фтора образовались изотопы кислорода ²⁷O и ²⁸O. Далее, с помощью спектрометров физики смогли детектировать продукты их быстрого распада — нейтроны и кислород ²⁴O.

Рассчитанная учеными энергия распада составила 0,5 мегаэлектронвольта для ²⁸O и 1,09 мегаэлектронвольта для ²⁷O. Исходя из того, что энергия распада ²⁷O и ²⁵O больше, чем у ²⁸O, физики сделали вывод, что изотоп ²⁸O разложился ступенчато — сначала образовался изотоп ²⁶O и два нейтрона, а затем ²⁶O превратился в ²⁴O и еще два нейтрона.

Далее, физики провели расчеты нуклонной структуры ²⁸O на основе теории χEFT (chiral effective field theory) и метода связанных кластеров (coupled-cluster method). Расчеты показали, что нестабильность ядра ²⁸O связана с нестандартным расположением его нейтронных оболочек, которое приводит к заселению возбужденных состояний ядра с низкой энергией (intruder states).

В результате физики впервые получили изотоп кислорода ²⁸O и провели теоретические расчеты, объясняющие его нестабильность нестандартной структурой нейтронных оболочек. Тем не менее, прямые доказательства немагичности нейтронной структуры ²⁸O еще предстоит найти.

Ранее мы рассказывали о том, как физики получили самый тяжелый изотоп кальция.