Найдена аномальная форма кислорода, опровергающая законы классической химии
Кислород-28 с самым большим количеством нейтронов, когда-либо наблюдавшихся в ядре атома кислорода. По прогнозам ученых он должен быть стабильным, но на деле быстро распадается. Это обстоятельство ставит под сомнение то, что мы знаем о «магических» числах частиц в ядре атома.
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 + 18 нейтронов = 26 нуклонов). Но недавно группа под руководством физика-ядерщика Йосуке Кондо из Токийского технологического института в Японии обнаружила два изотопа кислорода, которые мы никогда раньше не видели: кислород-27 и кислород-28, с 19 и 20 нейтронами соответственно.
Работа выполнялась 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 ситуцация с кислородом-28 становится намного 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 — это 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 вдвойне волшебную 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 вдвойне магическим, что позволяет предположить, что и 16 может быть магическим числом).
Работа Кондо и его коллег могла бы объяснить, почему так происходит. Их результаты показывают, что нейтронная оболочка не была заполнена до конца. Это ставит под вопрос, является ли 20 магическим числом для нейтронов?
Интересно, что выводы работы, похоже, согласуются 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 вдвойне магические ядра могут быть намного сложнее, чем мы думали.