Кордон протонної стійкості ядер може бути досить розмитим • Ігор Іванов • Новини

Мал. 1.Періоди напіврозпаду для різних ізотопів з непарним числом протонів поблизу межі протонної стійкості. Числа N і Z показують кількість нейтронів і протонів, а по вертикалі відкладено логарифм періоду напіврозпаду, вираженого в секундах (0 відповідає 1 с, -2 відповідає 0,01 с, і т.д.). Різнимисимволамипоказані переважні варіанти розпаду ізотопів.Пунктирною лінієюу горизонтальній площині показана традиційна межа протонної стабільності. Зображення з статті, що обговорюється

Традиційно вважається, що при перетині кордону протонної стабільності атомні ядра стають вкрай нестійкими і не можуть тримати надлишкові протони. Однак міжнародному колективу фізиків вдалося виявити збуджений ізомер ядра танталу-158, для якого це правило не працює. Хоча ядро знаходиться на межі протонної стабільності і сам цей збуджений рівень лежить надто високо над порогом випромінювання протона, ніякої протонної радіоактивності в ньому не виявлено. Цей результат підтверджує ідею, що реальні межі нуклонной стабільності ядер може бути досить розмитими.

Ядерна фізика на межі протонної стійкості

Незважаючи на всі успіхи ядерної фізики, атомні ядра залишаються об'єктами дуже складними для опису. Проте основні закономірності можна сформулювати коротко і простими словами. У найпростішому наближенні ядро є краплю щільної ядерної матерії. Протони та нейтрони утримуються разом ядерними силами, але відштовхуються один від одного при надто тісному контакті. Найміцніше тримається конфігурація, в якій нейтронів приблизно стільки ж, скільки протонів, або трохибільше. Істотний дисбаланс між протонами та нейтронами призводить до того, що ядро стає нестабільним. Крім цього на його стійкість впливає парна і багаточасткова взаємодія в ядрі. Як результат, енергія зв'язку ядра залежить від кількості частинок зовсім не плавно, а стрибками: ядра з парним числом протонів або нейтронів, і особливо так звані магічні ядра, мають підвищену стійкість.

Якщо помістити відомі ядра на діаграму в залежності від кількості протонів та нейтронів (N-Z-діаграма), то вони займуть на ній долину ядерної стабільності, яка з обох боків обмежена лініями протонної та нейтронної стійкості (рис. 2). Якщо взяти стійке ядро і додавати до нього протони один за одним, то перші кілька протонів ядро ще «прийме» без втрати стійкості, але потім воно стане нестабільним і намагатиметься розпастися більш збалансоване ядро.

Мал. 2.N-Z-діаграма атомних ядер.По горизонталіпоказано кількість нейтронів,по вертикалі— кількість протонів у ядрі.Коліромпоказаний період напіврозпаду ядра від найстабільніших ізотопів (чорний колір) до найнестабільніших (світлі відтінки). Виділені та підписані ряди відповідають «магічним» числам, що характеризуються підвищеною стійкістю. Діаграма із сайту nndc.bnl.gov

Чим ближче ядро перебуває до межі стійкості, тим менше період напіврозпаду. Безпосередньо на кордоні та за нею ядро живе лише частку секунди. Воно вже не може утримати нові протони, а одразу викидає їх геть за рахунок протонної радіоактивності. З погляду енергії можна сказати, що поза межі стійкості система «важке ядро + зайвий протон» стаєнезв'язаною: протону енергетично вигідніше відлетіти, ніж сидіти в ядрі.Час життя ядер різко зменшується при переході через протонний кордон (рис. 1), і коли воно стає менше мікросекунди, до пуття вивчати такі ядра вже не виходить. Все це наводить на думку, що межа протонної стійкості - це не просто якась умоглядна лінія, на якій енергія відділення протона дорівнює нулю, а реальна і чітка межа, що відокремлює область, за якою починається швидкий розвал ядра.

Нові ізомери танталу та розмиття протонного кордону

Мал. 3.Зліва: спектроскопія ізомерів 158 Ta (зображення з статті, що обговорюється),право: її спрощена схема.Штрихованими стрілкамипоказані виявлені ядерні переходи,червоними- теоретично дозволені переходи з випромінюванням протона, які, однак, експериментально не були виявлені

У новій роботі дослідники відкрили новий збуджений ізомер танталу-158 з дуже великою енергією збудження та з величезним спином, рівним 19. Його енергія лежить дуже високо, на 3,3 МеВ вище за поріг випромінювання вільного протона. За ідеєю, цієї енергії ядру вже має вистачити, щоб розпадатися за рахунок протонної радіоактивності не тільки в основне, а й у різноманітні збуджені стани гафнію (рис. 3). Тому якщо звертати увагу лише на енергію, то суто теоретично таке ядро можна було б запідозрити в дуже інтенсивній протонній радіоактивності і, як наслідок, у короткому часі життя.

Експериментальні результати показали щось зовсім інше. Виявилося, що цей ізомер переважно розпадається не на інші ядра, а лише на менш збуджені ізомери того ж ядра. Він випускає при цьому кілька послідовних гамма-квантів, досягає знайомого вже ізомеру зі спином 9 і лише потім розпадається в лютеціях-154. Крімтого, в окремих випадках спостерігався також прямий альфа-розпад у лютеціях-154. Однак жодних натяків на протонну радіоактивність виявлено не було. Період напіврозпаду виявився цілком вимірюваний, 6 мікросекунд, а не екстремально маленький. Таким чином, у новому ізомері 158 Ta повинен працювати якийсь фізичний принцип, який «вимикає» протонну радіоактивність у сильно збуджених ізомерів на межі протонної стабільності — а може, навіть і за нею.

Ядро у спиновій пастці

З погляду енергії протон у ядрі знаходиться у потенційній ямі, обмеженій високими стінками (рис. 4). Сама яма викликана ядерними силами, тяжінням інших протонів і нейтронів, а високі стінки – це результат електричного відштовхування між протоном та ядром (так званий кулоновський бар'єр). Виліт назовні з цієї ями і означає розпад ядра з випромінюванням протона; відбувається за рахунок квантового тунелювання протона крізь потенційний бар'єр.

Мал. 4.Схематичне зображення ядра як потенційної ями для протона, обмеженої кулонівським бар'єром. Порушені рівні енергії протона можуть призвести до вильоту протона, тобто розпаду ядра за рахунок протонної радіоактивності

Якби спин початкового і кінцевого ядра був однаковий, то була б проста закономірність: чим вищий рівень протона, тим простіше йому протунелювати крізь бар'єр, і, тим швидше відбувався б розпад, що й показано на рис. 4. Однак у ситуації, коли спин ядра змінюється, протон, що вилітає, повинен нести зайвий момент імпульсу. Це означає, що протону доведеться просочуватися назовні, долаючи не тільки кулоновський бар'єр, а й відцентровий потенціал. Чим більший момент імпульсу повинен забрати протон, чим потужніший той відцентровий бар'єр, який йому требаподолати, і отже, тим важче ядру розпастися.

Таким чином, у збудженому ядрі з великим спином йде боротьба двох протилежних ефектів: збудження дестабілізує ядро, наче «запрошує» його розпастися, але необхідність забирати обертальний момент стримує такий розпад. Який із цих ефектів переможе, залежить від конкретного ядра. Приклад танталу-158 показує, що захист від розпаду може бути напрочуд ефективним навіть для сильно збуджених ядер, коли з точки зору енергії є найширший простір для розпаду.

Ці результати означають, що є сенс шукати ядра далеко за кордоном протонної стійкості, що раніше здавалося неможливим. Не виключено, що який-небудь ізотоп з великим надлишком протонів може бути вкрай нестабільним в основному своєму стані, але якщо його порушити в стан з аномально великим спином, він може виявитися набагато стійкішим. Якщо це справді так, то межі ядерної стійкості — причому не лише протонної, а й нейтронної — можуть насправді виявитися досить розмитими. Ця незвичайна можливість відкриває нові грані ядерної фізики та дає додаткову можливість перевіряти теоретичні моделі ще з одного боку.