Новые изотопы кислорода бросают вызов «магическим числам»

Ученые сделали поразительное открытие, обнаружив никогда ранее неизвестную форму кислорода. Речь идет о двух новых изотопах кислорода — кислороде-27 и кислороде-28, содержащих 19 и 20 нейтронов соответственно, что является уникальным исключением из ранее известных изотопов.


Исследователи с удивлением обнаружили, что изотоп кислорода-28, который содержит наибольшее количество нейтронов в ядре атома кислорода, ведет себя неожиданно. В данном случае предполагалось, что этот изотоп будет стабильным, однако он обладает высокой склонностью к распаду. Это возбуждает сомнения относительно предыдущих представлений о «магических» числах частиц в ядре атома и заставляет пересмотреть наши представления о свойствах и поведении изотопов кислорода.

Ядро атома содержит субатомные частицы, называемые нуклонами, состоящими из протонов и нейтронов. Атомный номер элемента определяется количеством имеющихся в нем протонов, но количество нейтронов может варьироваться. Элементы с разным числом нейтронов известны как изотопы; кислород имеет 8 протонов, но может иметь разное количество нейтронов. Ранее наибольшее количество наблюдаемых нейтронов составляло 18 в изотопе кислорода кислород-26 (8 протонов плюс 18 нейтронов равняются 26 нуклонам).

Обнаружение новых изотопов кислорода — кислорода-27 и кислорода-28 с 19 и 20 нейтронами соответственно — вызывает значительный интерес у физиков. Ранее считалось, что наибольшее количество нейтронов, наблюдаемых в ядре атома кислорода, составляло 18 в изотопе кислород-26.

Новые изотопы представляют собой интересные исключения и указывают на возможность разнообразия и комбинаций числа нейтронов в ядрах атомов. Обнаружение этих изотопов является результатом исследования, проведенного группой под руководством физика-ядерщика Йосуке Кондо из Токийского технологического института.

Работы проводились на RIKEN Radioactive Isotope Beam Factory — циклотронном ускорителе, предназначенном для производства нестабильных изотопов. Сначала команда направила луч изотопов кальция-48 на бериллиевую мишень, чтобы получить более легкие атомы, включая фтор-29, изотоп фтора с 9 протонами и 20 нейтронами. Затем этот фтор-29 отделился и столкнулся с мишенью из жидкого водорода, чтобы отбить протон и попытаться создать кислород-28.



Попытка оказалась удачной, но неожиданной. И кислород-27, и кислород-28 нестабильны, существуют всего лишь мгновение, а затем распадаются на кислород-24 и 3 или 4 свободных нейтрона соответственно, и именно здесь с кислородом-28 все становится интереснее.

И 8, и 20 являются «магическими» числами для протонов и нейтронов соответственно, и это свойство предполагает, что кислород-28 должен быть стабильным. Общее количество каждого из них зависит от того, как каждый добавленный нуклон влияет на стабильность квот протонов и нейтронов, называемых «оболочками».

«Магическое число» в ядерной физике — количество нуклонов, которые полностью заполнят оболочку, причем каждая новая оболочка отличается от предыдущей большой энергетической щелью. Атомное ядро ​​с протонной и нейтронной оболочками, содержащими магические числа каждого, известно как двойное магическое, и ожидается, что оно будет особенно стабильным. Большая часть кислорода на Земле, включая воздух, которым мы дышим, представляет собой «дважды магическую» форму кислорода, кислород-16.

Долгое время ожидалось, что кислород-28 станет следующим «дважды магическим» изотопом кислорода после кислорода-16, но предыдущие попытки найти его не увенчались успехом. (Интересно, что в 2009 году появились доказательства того, что кислород-24 может быть «дважды магическим», что позволяет предположить, что 16 может быть «магическим числом».)

Работа Кондо и его коллег могла бы объяснить, почему. Их результаты показывают, что нейтронная оболочка не была заполнена. Это ставит под вопрос, является ли 20 магическим числом для нейтронов. Интересно, что это, похоже, согласуется с явлением, известным как остров инверсии для изотопов неона, натрия и магния, когда оболочки из 20 нейтронов не замыкаются. Это распространяется и на фтор-29, а теперь, по-видимому, и на кислород-28.

Дальнейшее понимание странной незамкнутой нейтронной оболочки придется отложить до тех пор, пока исследователи не смогут исследовать ядро ​​в возбужденном состоянии с более высокой энергией. Другие методы образования кислорода-28 также могут оказаться показательными, хотя их гораздо сложнее реализовать.

На данный момент впечатляющие и с трудом достигнутые результаты команды показывают, что «дважды магические» ядра могут быть намного сложнее, чем ученые думали ранее.

Исследование опубликовано в журнале Nature.