Границата на протонната стабилност на ядрата може да се окаже доста размита • Игор Иванов • Новини
Фиг. 1.Време на полуразпад за различни изотопи с нечетен брой протони близо до границата на стабилност на протоните. Числата N и Z показват броя на неутроните и протоните, а вертикалата е логаритъма на полуживота, изразен в секунди ("0" съответства на 1 s, "-2" съответства на 0,01 s и т.н.). Различнисимволипоказват преобладаващите варианти на изотопно разпадане.Пунктираната линияв хоризонталната равнина показва традиционната граница на протонната стабилност. Изображение от въпросната статия
Традиционно се смята, че при преминаване на границата на стабилност на протоните, атомните ядра стават изключително нестабилни и не могат да задържат излишните протони. Международен екип от физици обаче успя да открие възбуден изомер на ядрото на тантал-158, за който това правило не работи. Въпреки че ядрото е на границата на протонна стабилност и самото това възбудено ниво се намира много високо над прага на излъчване на протони, в него не е открита протонна радиоактивност. Този резултат потвърждава идеята, че реалните граници на нуклонната стабилност на ядрата могат да бъдат доста размити.
Ядрена физика на границата на протонната стабилност
Въпреки всички успехи на ядрената физика, атомните ядра остават обекти, които са много трудни за описание. Въпреки това най-основните закономерности могат да бъдат формулирани накратко и с прости думи. В най-простото приближение ядрото е капка плътна ядрена материя. Протоните и неутроните се държат заедно от ядрени сили, но се отблъскват, когато влязат в твърде силен контакт. Задържа се най-силната конфигурация, в която има приблизително същия брой неутрони като протоните или малкоПовече ▼. Значителен дисбаланс между протони и неутрони води до факта, че ядрото става нестабилно. В допълнение, неговата стабилност също се влияе от двойните и многочастичните взаимодействия в ядрото. В резултат на това енергията на свързване на ядрото зависи от броя на частиците изобщо не плавно, а на скокове: ядрата с четен брой протони или неутрони, и по-специално така наречените магически ядра, имат повишена стабилност.
Ако поставим известните ядра на диаграма в зависимост от броя на протоните и неутроните (N-Z диаграма), тогава те ще заемат долината на ядрената стабилност върху нея, която е ограничена отстрани от линиите на протонна и неутронна стабилност (фиг. 2). Ако вземем стабилно ядро и добавим към него протони един по един, тогава ядрото все още ще „приеме“ първите няколко протона, без да губи стабилност, но след това ще стане нестабилно и ще има тенденция да се разпада в по-балансирано ядро.
Фиг. 2.N-Z-диаграма на атомните ядра.Хоризонталнопоказва броя на неутроните,вертикално— броя на протоните в ядрото.Цвятпоказва времето на полуразпад на ядрото от най-стабилните изотопи (черно) до най-нестабилните (светли цветове). Избраните и подписани серии съответстват на "магически" числа, характеризиращи се с повишена стабилност. Диаграма от nndc.bnl.gov
Колкото по-близо е ядрото до границата на стабилност, толкова по-кратък е обикновено полуживотът. Директно на границата и отвъд нея ядрото живее само част от секундата. Той вече не може да задържа нови протони, но веднага ги изхвърля поради протонна радиоактивност. От гледна точка на енергията може да се каже, че отвъд границата на стабилност системата „тежко ядро + допълнителен протон“ ставанесвързана: енергийно по-изгодно е протонът да отлети, отколкото да седи в ядрото.Времето на живот на ядрата рязко намалява при преминаване през протонната граница (фиг. 1), а когато стане по-малко от микросекунда, вече не е възможно да се изследват правилно такива ядра. Всичко това предполага, че границата на стабилност на протона не е просто някаква спекулативна линия, на която енергията на отделяне на протона е равна на нула, а реална и напълно ясна граница, която разделя областта, отвъд която започва бързият колапс на ядрото.
Нови танталови изомери и размазване на протонната граница
Фиг. 3.Вляво: спектроскопия на 158 Ta изомери (изображение от обсъжданата статия),вдясно: неговата опростена схема.Прекъснати стрелкипоказват открити ядрени преходи,червени— теоретично разрешени преходи с протонна емисия, които обаче не са открити експериментално
В новата работа изследователите откриха нов възбуден изомер на тантал-158 с много висока енергия на възбуждане и огромно въртене от 19. Енергията му е много висока, 3,3 MeV над прага за излъчване на свободен протон. На теория тази енергия вече трябва да е достатъчна, за да може ядрото да се разпадне поради протонна радиоактивност не само в основно състояние, но и в различни възбудени състояния на хафний (фиг. 3). Следователно, ако обърнем внимание само на енергията, тогава чисто теоретично такова ядро може да бъде заподозряно в много интензивна протонна радиоактивност и в резултат на това в изключително кратък живот.
Експерименталните резултати показаха нещо съвсем различно. Оказа се, че този изомер се разпада предимно не на други ядра, а само на по-малко възбудени изомери на същото ядро. В същото време той излъчва няколко последователни гама кванта, достига вече познатия изомер със спин 9 и едва след това се разпада на лутеций-154. С изключениеОсвен това в редки случаи е наблюдавано директно алфа разпадане до лутеций-154. Въпреки това не са открити намеци за протонна радиоактивност. Полуживотът се оказа доста измерим, 6 микросекунди, и изобщо не е изключително малък. По този начин, в новия 158 Ta изомер трябва да работи определенфизичен принцип, който „изключва“ протонната радиоактивностза силно възбудени изомери на границата на протонна стабилност - и може би дори отвъд нея.
Ядро в спинов капан
В енергийно отношение протонът в ядрото се намира в потенциална яма, ограничена от високи стени (фиг. 4). Самият кладенец е причинен от ядрени сили, привличането на други протони и неутрони, а високите стени са резултат от електрическо отблъскване между протона и ядрото (т.нар. Кулонова бариера). Излитането от тази дупка означава разпадане на ядрото с излъчване на протон; възниква поради квантовото тунелиране на протона през потенциалната бариера.
Фиг. 4.Схематично представяне на ядрото като потенциална яма за протон, ограничена от Кулонова бариера. Възбудените енергийни нива на протона могат да доведат до излизане на протона, тоест до разпадане на ядрото поради протонна радиоактивност.
Ако въртенето на първоначалното и крайното ядро беше еднакво, тогава би имало прост модел: колкото по-високо е нивото на протона, толкова по-лесно е за него да тунелира през бариерата и следователно, толкова по-бързо ще се случи разпадането, което е показано на фиг. 4. Въпреки това, в ситуация, в която въртенето на ядрото се променя, излъченият протон трябва да отнесе допълнителен ъглов момент. Това означава, че протонът ще трябва да изтече, преодолявайки не само кулоновата бариера, но ицентробежен потенциал. Колкото по-голям е ъгловият момент, който протонът трябва да отнесе, толкова по-мощна е центробежната бариера, от която се нуждаепреодоляни, което означава, че толкова по-трудно е ядрото да се разпадне.
По този начин, в развълнувано ядро с голям спин, има борба между два противоположни ефекта: възбуждането дестабилизира ядрото, сякаш го „кани“ да се разпадне, но необходимостта да се отнесе ротационният момент възпира такова разпадане. Кой от тези ефекти ще спечели зависи от конкретното ядро. Примерът с тантал-158 показва, че защитата от разпад може да бъде удивително ефективна дори за силно възбудени ядра, когато има най-широко поле за разпадане по отношение на енергията.
Тези резултати означават, че има смисъл да се търсят ядрадалечеотвъд границата на стабилност на протона, което преди това изглеждаше невъзможно. Възможно е някой изотоп с голям излишък на протони да е изключително нестабилен в основното си състояние, но ако се възбуди в състояние с аномално голям спин, може да се окаже много по-стабилен. Ако това наистина е така, тогава границите на ядрената стабилност - и не само на протона, но и на неутрона - всъщност може да се окажат доста размити. Тази необичайна възможност разкрива нови аспекти на ядрената физика и предоставя допълнителна възможност за тестване на теоретични модели от друга страна.