Кислород-28 поставя под въпрос основите на ядрената физика

Новооткритият изотоп кислород-28 преобръща утвърдените теории в ядрената физика. Противно на очакванията, този богат на неутрони изотоп бързо се разпада, което поставя под въпрос понятието „магически числа“. Наблюдението, направено от екип в Токийския технологичен институт, показва, че може да се наложи преразглеждане на представите ни за атомните ядра, което проправя път за нови направления в изследванията.

Ядрената физика, която се занимава с изучаването на атомните ядра и техните съставни части, бе разтърсена от неочаквано откритие. Когато става въпрос за изотопи, някои принципи се приемат за даденост. Ядрото на атома се състои от нуклони, които от своя страна са съставени от протони и неутрони. Кислородът например винаги има 8 протона, но броят на неутроните може да варира, което води до различни изотопи. Доскоро най-големият брой неутрони, наблюдаван в изотоп на кислорода, беше 18, за кислород-26.

Но сега екипът, ръководен от ядрения физик Йосуке Кондо от Технологичния институт в Токио, откри два ненаблюдавани досега изотопа на кислорода: кислород-27 и кислород-28, съдържащи съответно 19 и 20 неутрона. Това откритие поставя под въпрос представите ни за „магическите числа“ на частиците в ядрото на атома. Това е нещо много по-голямо от академичен куриоз и може да преобърне разбирането ни за атомните ядра и силите, които ги управляват. Научната работа е публикувана в списание Nature.

Откриването на новите изотопи

Процесът на откриването се осъществява в завода за производство на радиоактивни изотопи на RIKEN в Япония – най-модерното съоръжение, специализирано в производството и изследването на радиоактивни изотопи. Там екипът използва циклотронен ускорител – машина, способна да ускорява частиците до екстремни скорости.

За да получи нови изотопи на кислорода, екипът първо насочва лъч от изотопи на калций-48 към мишена от берилий. При сблъсъка се получават много по-леки атоми, включително флуор-29 – изотоп на флуора с 9 протона и 20 неутрона. След това този флуор-29 е изолиран и бомбардиран с мишена от течен водород. Целта е да се избие един протон от флуор-29, превръщайки го в кислород-28.

Необичайно поведение на новия „вълшебен“ изотоп

Кислород-28 е изотоп, който предизвиква огромен интерес в научната общност. Неговата особеност се състои в състава му: той има 8 протона и 20 неутрона. В света на ядрената физика определен брой нуклони, независимо дали са протони или неутрони, се наричат „магически“ – термин, въведен от физика Юджийн Вигнер в края на 50-те години на миналия век. Тези числа се свързват с особената стабилност на атомното ядро. По този начин се приема, че едно ядро с „магически“ брой протони или неутрони е по-стабилно от другите. Последните имат по-висока енергия на свързване.

В случая с кислорода магическото число е 8 протона. По същия начин за такова се смята и числото 20 за неутроните, които образуват пълна „обвивка“, както пишат авторите в публикацията за пресата. Следователно кислород-28 с неговите 8 протона и 20 неутрона теоретично би трябвало да е много стабилен. Наблюденията обаче показват друго.

Експериментите, опровергаващи теориите

Използвайки съоръжението за радиоактивни изотопи в центъра RIKEN Nishina, водещият автор Йосуке Кондо и неговите сътрудници проведоха редица експерименти, за да наблюдават за първи път радиоактивния разпад на ²⁸O в ²⁴O, като измериха прякото излъчване на четирите несвързани неутрона, докато ²⁸O (кислород-28) се движи по линията на ядрената капка – точката, в която ядрото става несвързано и пропуска или „изхвърля“ неутрони.

Неочаквано за всички, оказа се, че този изотоп се разпада за много кратко време, което противоречи на прогнозите, базирани на теорията за магическите числа. Използвайки усъвършенствани техники за моделиране на суперкомпютъра Summit в ORNL, екипът потвърди с 98% достоверност, че ²⁸O не е свързано ядро.

По този начин това откритие хвърля сянка върху надеждността на концепцията за „магическо число“. Ако един изотоп с „магически“ брой протони и неутрони не показва очакваната стабилност, означава ли това, че самата теория е непълна или се нуждае от преразглеждане? Този въпрос е в центъра на настоящия дебат в ядрената физика, като насърчава изследователите да преразгледат и задълбочат познанията си за ядрената структура и силите, които я управляват.

Мистерията, която предстои да бъде разгадана

Това откритие е в съответствие с явление, което вече е идентифицирано в областта на ядрената физика – „инверсионният остров“. Това явление възниква, когато неутроните заемат по-високи енергийни нива от очакваното, което води до необичайни ядрени конфигурации. Наблюдавано е при някои изотопи на други елементи като неон, натрий и магнезий. В тези случаи неутронните обвивки, за които се предвижда, че са пълни, не са, а неутроните заемат по-високи енергийни обвивки.

Съвпадението на наблюденията на групата на Кондо за кислород-28 и феномена на инверсионния остров предполага, че тук може да действат подобни механизми. Това подчертава необходимостта от по-задълбочено разбиране на ядрената структура и силите, които определят стабилността на изотопите.

За да се разбере по-добре тази загадка, са необходими допълнителни изследвания, по-специално изследване на ядрото на кислород-28 във възбудено състояние. Възбуденото състояние се отнася до състояние, при което нуклоните в ядрото имат по-високи енергийни нива, отколкото в основното състояние. Изследвайки ядрото в това състояние, учените могат да получат ценна информация за разпределението на неутроните и вътрешната динамика, които могат да повлияят на стабилността на изотопа.

Откритията, макар и неочаквани, отварят пътя към по-добро разбиране на магическите ядра, които може да са много по-сложни, отколкото се смяташе досега.