Нейтронные копилки: Изотопные истории

Национальная циклотронная лаборатория, расположенная в кампусе Мичиганского университета, располагает двумя ускорителями на сверхпроводящих магнитах, которые обычно работают в тандеме. Первая машина доводит энергию ионов до 40−50 МэВ на нуклон, вторая — примерно до 140 МэВ. Именно они и использовались в эксперименте. В качестве снарядов выступали стабильные ядра кальция-48, имеющего восемь избыточных нейтронов по сравнению с основным изотопом кальцием-40, а мишенью послужила вольфрамовая пластинка примерно миллиметровой толщины. Отдельные ядра кальция при соударениях с ядрами вольфрама захватывали их нейтроны и одновременно теряли собственные протоны. В результате рождались нестабильные нуклонные конгломераты, которые быстро распадались и превращались в ядра магния-40 и алюминия-42, живущие не меньше миллисекунды.

Естественно, такие события происходили нечасто, примерно одно на квадриллион (10¹⁵). Во всяком случае, экспериментаторам удалось зарегистрировать три ядра магния-40 и двадцать три ядра алюминия-42. Кроме того, было зарегистрировано одно событие, соответствующее еще более тяжелому алюминию-43. Для извлечения этой информации продукты реакций пришлось дважды отcепарировать и пропустить сквозь систему высокочувствительных детекторов.

Ядра стабильных изотопов легких элементов обычно состоят из примерно равного количества нейтронов и протонов. Так, ядро углерода-12 составлено из шести протонов и шести нейтронов, а кислорода — из восьми. Это правило не вполне универсально, богатый нейтронами кальций-48 обладает особо устойчивым дважды магическим ядром и потому живет практически вечно (его период полураспада почти в миллион раз больше возраста нашей Вселенной).

Однако к более тяжелым элементам оно уже неприменимо. Протоны отталкиваются друг от друга по закону Кулона, и хотя в самых легких ядрах такое отталкивание может быть компенсировано межнуклонным притяжением при равном числе протонов и нейтронов, уже на третьем десятке элементов периодической системы для компенсации нужны дополнительные нейтроны, скрепляющие ядра наподобие клея (а ядерные силы, в отличие от кулоновских, действуют лишь на очень малом расстоянии). Так что по мере возрастания атомного номера в ядрах накапливается избыток нейтронов. У самых тяжелых стабильных изотопов их число превышает число протонов примерно в полтора раза.

Линия протонной устойчивости прослежена вплоть до очень тяжелых элементов. Нейтронную линию определить сложнее, и сейчас она достоверно выяснена лишь для первых восьми элементов — от водорода до кислорода. Для следующей тройки — фтора, неона и натрия — она определена лишь приблизительно (так, есть основания полагать, что натрий может иметь не более 26 нейтронов). Магний и алюминий занимают двенадцатое и тринадцатое места в таблице Менделеева. Новые эксперименты в Ист-Лансинге показали, что ядро магния «выдерживает» не менее 28 нейтронов. Это куда больше числа нейтронов у трех его стабильных изотопов — 12, 13 и 14. Единственный стабильный изотоп алюминия содержит 14 нейтронов, однако в прошлом физики ухитрились получить множество радиоактивных вариантов этого элемента. Самый легкий из них содержит 9 нейтронов, а самый тяжелый — 28. Теперь же оказалось, что природа разрешает существовать и алюминию-42 с 29 нейтронами, и алюминию-43 — с тридцатью.

«Моя группа вот уже лет двадцать занимается экспериментальным определением линии нейтронной устойчивости. Эта работа производится и в других странах, в частности во Франции, — рассказал "ПМ" профессор химии Мичиганского университета Дэвид Морриссей. — Что касается последних экспериментов, то самым большим сюрпризом было рождение алюминия-42. Он содержит нечетные числа протонов и нейтронов, а такие ядра отличаются минимальной устойчивостью. Можно надеяться, что удастся создать и более тяжелые изотопы этого элемента, скажем, алюминий-45, но это очень непросто. Надеюсь, мы продолжим эксперименты будущим летом».

«Наша группа еще в июне прошлого года сообщила о получении тридцатинейтронного кремния-44, — добавляет другой участник эксперимента, сотрудник Лаборатории ядерных реакций дубнинского Объединенного института ядерных исследований Олег Тарасов. — Все эти результаты позволяют уточнить параметры моделей, которые используются для расчета свойств ядер. Кроме этого, они демонстрируют потенциал нашей лаборатории как по части оборудования, то есть ускорителей и спектрометров, так и по части квалификации научных кадров. В 1990-х наилучшими возможностями обладали исследователи, работающие на французском Большом национальном ускорителе тяжелых ионов. Потом пальма первенства перешла к японцам. А теперь — к Мичиганскому университету».

А что же сулят эти результаты химикам? Этот вопрос «TechInsider» задала научному сотруднику Мюнхенского технического университета Александру Якушеву, который вот уже много лет работает с искусственными изотопами сверхтяжелых элементов. «Физики из Дубны в последние годы получили в реакциях слияния актинидных мишеней с все тем же кальцием-48 около тридцати новых изотопов химических элементов вплоть до элемента 118. Некоторые из них являются долгожителями и распадаются лишь спустя несколько секунд после появления на свет — этого достаточно, чтобы провести анализ их химических свойств. Химиков по-прежнему манит остров стабильности, предсказанный в районе Z=114 и N=184, где время жизни ядер должно повыситься еще на несколько порядков, однако высадиться там еще нельзя из-за недостатка нейтронов.

Пока что нет возможности изыскать такую комбинацию мишени и налетающей частицы, чтобы в сумме получился достаточный нейтронный избыток. Кроме сложных реакций многонуклонной передачи между очень тяжелыми ядрами (такими как столкновение двух ядер урана) альтернативным путем может оказаться бомбардировка мишени радиоактивными нейтроноизбыточными изотопами (конечно, не столь экзотическими, как представленные в работе ученых из Ист-Лансинга). Так что поиск границы нейтронной стабильности идет рука об руку с получением интенсивных пучков нейтроноизбыточных изотопов, столь необходимых для прыжка на остров стабильности».