В исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, учёные из Центра исследования тяжёлых ионов имени Гельмгольца (GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung) обнаружили новый сверхтяжёлый изотоп — 257Sg (сиборгий). Его свойства помогают лучше понять стабильность ядер и процесс деления у самых тяжёлых элементов.
Сверхтяжёлые элементы существуют в хрупком равновесии между силой притяжения, удерживающей протоны и нейтроны вместе, и силой отталкивания, которая разделяет положительно заряженные протоны. Без квантовых оболочечных эффектов, аналогичных электронным оболочкам в атомах, эти массивные ядра распались бы менее чем за триллионную долю секунды.
Учёные доктор Павол Мосат и доктор Дж. Хуягабаатар из Центра исследования тяжёлых ионов имени Гельмгольца в Германии рассказали изданию Phys.org о своей работе. Исследование показывает неполноту нашего понимания поведения атомных ядер в экстремальных условиях. Результаты указывают на то, что квантовые эффекты, предотвращающие мгновенный распад сверхтяжёлых ядер, могут работать иначе, чем считалось ранее.
Международная исследовательская группа использовала газовый сепаратор отдачи TASCA Центра исследования тяжёлых ионов имени Гельмгольца для создания 257Sg путём реакций слияния между ядрами хрома-52 и свинца-206. Они обнаружили, что новый изотоп живёт 12,6 миллисекунд, дольше, чем его сосед 258Sg, и распадается как путём спонтанного деления, так и через испускание альфа-частиц.
Путь альфа-распада оказался особенно показательным. Когда 257Sg испускает альфа-частицу, он превращается в 253Rf (рутений), который затем подвергается делению всего через 11 микросекунд. Это наблюдение подтверждает недавние выводы, которые ставят под сомнение традиционное понимание того, как угловой момент влияет на деление. Хотя предполагалось, что более высокие квантовые числа K будут препятствовать делению сильнее, новые данные указывают на то, что эта взаимосвязь может быть сложнее, чем считалось ранее.
«Мы изучили изотопы 257Sg и 253Rf и обнаружили, что в целом квантовые числа K действительно препятствуют делению», — сказал Мосат. «Однако абсолютное значение препятствий всё ещё неизвестно».
Возможно, ещё более важным было открытие командой первого K-изомерного состояния в изотопе сиборгия. K-изомеры — это особые ядерные конфигурации с высоким угловым моментом, которые сопротивляются делению гораздо эффективнее, чем обычные ядерные состояния. В 259Sg исследователи обнаружили сигнал конверсионного электрона, появляющийся через 40 микросекунд после формирования ядра, что является убедительным доказательством существования K-изомерного состояния, которое может быть устойчивым к делению в сотни раз дольше, чем основное состояние.
«K-изомерные состояния уже наблюдались в сверхтяжёлых ядрах, таких как 252–257Rf и 270Ds», — отметил Хуягабаатар. «Мы наблюдали K-изомер исключительно в ядрах с 106 протонами, то есть в изотопах Sg впервые».
Это открытие заполняет важный пробел в понимании учёными сверхтяжёлых элементов и может иметь серьёзные последствия для будущих исследований по обнаружению элементов.
Открытие сделано в критический момент исследований сверхтяжёлых элементов. Учёные давно искали теоретический «остров стабильности» — регион, где некоторые сверхтяжёлые ядра могут существовать в течение длительного времени из-за благоприятных оболочечных эффектов. Однако новые данные показывают, что этот ландшафт может быть сложнее, чем предполагалось.
«Может случиться так, что сверхтяжёлое ядро, например изотоп ещё не открытого элемента, будет жить менее 1 мкс (микросекунды)», — объяснил Хуягабаатар. «Если это так, то обнаружение элемента 120, вероятно, столкнётся с проблемами разделения и обнаружения. Однако если в этом ядре существует K-изомерное состояние, оно может жить дольше, как мы недавно продемонстрировали на примере 252Rf».
Исследователи предполагают, что у всё ещё неоткрытого 256Sg может быть значительно более короткий период полураспада, чем предполагают теоретические прогнозы, потенциально сократившись с прогнозируемых 6 микросекунд до всего одной наносекунды. Такое значительное отклонение в стабильности могло бы стать важным новым открытием в ядерной физике.
Экспериментальное достижение потребовало преодоления значительных технических трудностей. Работа с ядрами, которые существуют всего несколько миллисекунд, потребовала чрезвычайно быстрых систем обнаружения и точного хронометража.
Команда разработала специализированную цифровую электронику в GSI, которая оказалась решающей для многочисленных открытий сверхтяжёлых элементов. Следующая цель команды — синтез 256Sg, чтобы проверить, действительно ли происходит прогнозируемое резкое снижение стабильности.
«Действительно, мы постараемся изучить дальнейшие случаи долгоживущих K-изомерных состояний в сверхтяжёлых ядрах», — сказал Мосат. «Что касается текущей темы, наш ближайший план — попытаться синтезировать следующий неизвестный 256Sg».