Ядерное разнообразие
Рекордный пучок. Искусственные изотопы-тяжеловесы. Стоп-кран для атомов
Американские физики сообщили о получении самого мощного в мире пучка позитронов. Этот эксперимент был осуществлен на ядерном реакторе PULSTAR, принадлежащем университету Северной Каролины. До сих пор подобный рекорд был зарегистрирован на реакторе, находящемся в Мюнхене. Ученые планируют разработать аппаратуру, которая позволит использовать такие пучки для изучения атомной структуры различных материалов. В Национальной лаборатории циклотронов на сверхпроводящих магнитах, расположенной на территории университета штата Мичиган были синтезированы три сверхмассивных изотопа двух широко распространенных легких металлов. Чтобы оценить значение этого открытия, вспомним азы ядерной физики. Ядра всех без исключения элементов, кроме водорода, сложены из частиц двух видов – положительно заряженных протонов и не несущих электрического заряда нейтронов (ядро водорода – это единичный протон). Поэтому они заряжены положительно, причем заряд ядра определяется числом его протонов. Это же число задает и номер элемента в Периодической системе. Ядра с одинаковым числом протонов, но разным количеством нейтронов отличаются друг о друга по массе, однако в электронном окружении приобретают совершенно одинаковые химические характеристики. Это означает, что такие атомы химически неразличимы и потому принадлежат одному и тому же элементу Периодической системы. Такие разновидности химических элементов называют изотопами. Различные изотопы одного и того же элемента невозможно отделить друг от друга с помощью химических реакций. Однако для их разделения существует множество физических методов. Все встречающиеся в природе элементы имеют по несколько изотопов. Большинство изотопов нестабильно, их ядра самопроизвольно испускают те или иные частицы и превращаются в ядра с другой структурой или составом. Например, ядро может испустить единичный протон, единичный нейтрон или альфа-частицу, состоящую из двух протонов и двух нейтронов. Бывает и так, что один из нейтронов внутри ядра превращается в протон, электрон и антинейтрино. Протон остается на месте, а две другие частицы покидают ядро. В стабильных легких ядрах числа протонов и нейтронов одинаковы или почти одинаковы. По мере увеличения атомного номера накапливается избыток нейтронов и в самых тяжелых стабильных ядрах их число превышает число протонов примерно в полтора раза. У урана и прочих самых тяжелых элементов, которые вообще не имеют стабильных изотопов, нейтронов еще больше. Это соотношение отнюдь не случайно, оно вытекает из законов квантовой механики. Ученые уже давно научились синтезировать не существующие в природе изотопы, облучая ядра-мишени нейтронами или заряженными частицами. Таким способом удается получать нестабильные изотопы с очень большим избытком нейтронов. Однако такие ядерные превращения можно осуществлять лишь до тех пор, пока число нейтронов не подойдет к определенной границе, которую физики называют линией нейтронной стабильности. При пересечении этой линии ядра начинают попросту «выплевывать» дополнительные нейтроны. Конечно, для разных элементы пределы нейтронного насыщения отнюдь не одинаковы. Их точное определение – одна из важных задач ядерной физики. Пока что линия нейтронной стабильности установлена только для восьмерки самых легких элементов, которая начинается водородом и заканчивается кислородом. Мичиганские исследователи работали с двенадцатым и тринадцатым элементами Периодической системы, магнием и алюминием. Магний имеет три стабильных изотопа, ядра которых содержат 12, 13 и 14 нейтронов, а также нестабильный изотоп с 16 нейтронами. Единственный стабильный изотоп алюминия содержит 14 нейтронов, однако в прошлом физики ухитрились получить еще много радиоактивных изотопов этого металла. Самый легкий из них содержит всего 8 нейтронов, а самый тяжелый – 28. Профессор Моррисси и его коллеги продвинулись дальше. Они сумели получить тройку ядер магния с 28 нейтронами и ядер алюминия с 29 нейтронами. Им также повезло выявить единичную подпись совсем уж экзотического алюминиевого ядра с 30 нейтронами. Конечно, все эти ядра очень быстро распались, однако их все же удалось выделить и зарегистрировать. До сих пор мало кто ожидал, что ядра магния и алюминия могут существовать в столь тяжелых версиях. Физики Техасского университета в Остине разработали прибор, который почти полностью тормозит газовые частицы с помощью магнитных импульсов. Эта работа поможет созданию ловушек для газов, удерживающих их атомы и молекулы практически в неподвижном состоянии. В таких приборах очень нуждаются специалисты по спектральному анализу. Незаторможенные частицы газов движутся со скоростями в сотни метров в секунду, поэтому их спектральные линии размываются из-за эффекта Допплера. Новые магнитные ловушки дадут возможность резко повысить точность измерения спектральных характеристик различных газов, в особенности водорода и его изотопов.