Оптические исследования помогают изучать ядра с нейтронным гало

Схематичное изображение структуры трех изотопов гелия

Рис. 1. Схематичное изображение структуры трех изотопов гелия: самого стабильного ядра в природе, 4He, а также двух изотопов с нейтронным гало, 6He и 8He. Изображение из обсуждаемой статьи в Rev. Mod. Phys.

В последние несколько лет было получено много интересных результатов в разделе ядерной физики, который изучает ядра с нейтронным гало. Эти результаты обсуждались в нескольких специализированных обзорах, появившихся за последний год. Один из самых последних обзоров, опубликованный на днях в журнале Reviews of Modern Physics, в доступной форме описывает важный аспект этих исследований — тесную связь между оптикой, атомной физикой и физикой этих ядер. Мы предлагаем небольшое введение в эту тему по мотивам обзора.

Нейтронное гало

Физика экзотических ядер — это один из самых активно развивающихся разделов современной ядерной физики. Она занимается созданием и изучением атомных ядер, свойства которых в чем-то сильно отличаются от подавляющего большинства ядер самых распространенных изотопов. Это могут быть сверхтяжелые или сильно деформированные ядра, ядра с аномальным количеством протонов или нейтронов, долгоживущие возбужденные состояния ядер и так далее. Все они интересны тем, что позволяют изучать ядерное вещество в необычных, по-своему экстремальных условиях. Это позволяет нащупать «болевые точки» современных теорий ядерного вещества, а значит, и улучшить их. (Любопытные читатели могут сразу перемотать новость до конца и увидеть на последней картинке одну такую болевую точку.)

Один из классов экзотических ядер — сильно нейтроноизбыточные ядра, то есть атомные ядра, у которых нейтронов намного больше, чем протонов. Если для большинства «обычных» изотопов отношение числа нейтронов N к числу протонов Z лежит в диапазоне от 1 до 1,5, то у таких ядер оно может превышать два и даже три. Вообще говоря, такая диспропорция для ядер ненормальна. Если взять произвольное тяжелое ядро и попытаться присоединить к нему несколько дополнительных нейтронов, то они просто не удержатся, они тут же «отвалятся» от ядра. Поэтому сильно нейтроноизбыточные ядра возможны только для легких изотопов, и существуют они, как правило, за счет того, что в их строении имеется какая-то необычность.

Экзотическое ядро лития-11

Рис. 2. Экзотическое ядро 11Li по своему размеру не уступает ядру свинца, хотя содержит в двадцать раз меньше нуклонов. Изображение с сайта www.triumf.ca

У одного особого класса нейтроноизбыточных ядер эта особенность носит красивое название нейтронное гало. Такие ядра представляют собой некий компактный протон-нейтронный «остов», вокруг которого на определенной дистанции находится один или несколько нейтронов (рис. 1 и 2). Это в чем-то напоминает электронное строение атомов I-II групп элементов; у них тоже почти все электроны сидят на компактных заполненных электронных оболочках, а один-два валентных электрона «болтаются» где-то поблизости.

Изотопов с нейтронным гало не так много; самые известные и активно исследуемые из них — это 6He (гелий-6, два протона, четыре нейтрона), 8He (два протона, шесть нейтронов), и 11Li (три протона, восемь нейтронов). Такие ядра нестабильны; например, средние времена жизни этих двух изотопов гелия составляют 0,8 секунды для 6He и 0,1 секунды для 8He, и это, конечно, затрудняет экспериментальное изучение.

Тут надо пояснить, что в ядерной физике нестабильность нестабильности рознь. Бывает неустойчивость относительно моментального развала на части: вы пытаетесь соединить вместе два куска ядерного вещества, но они совершенно не держатся, а тут же разлетаются прочь. Таков, например, гелий-5, гелий-7 и другие возможные изотопы гелия. Их время жизни совершенно ничтожно, порядка 10−20 секунды, так что тут даже и о цельном ядре говорить можно очень условно. Ядра гелия-6 и гелия-8 относительно такого развала устойчивы, они действительно представляют собой цельное ядро. Если бы не было в природе слабых взаимодействий, то они были бы вообще стабильны, а так они за счет бета-распада превращаются в изотопы лития. Но по ядерным масштабам они являются исключительно долгоживущими ядрами.

Неравноправие между нейтронами в остове и нейтронами в гало выражено довольно сильно. Среднее расстояние, на котором находятся нейтроны из гало, может в пару раз превышать радиус остова. В результате получается забавная ситуация: некоторые легкие ядра с нейтронным гало могут в целом оказаться такого же размера, как и ядро свинца, хотя протонов и нейтронов в них в десятки раз меньше (рис. 2). Кроме того, эти нейтроны отличаются и своей энергией связи. Чтобы вытащить центральный нейтрон из ядра гелия (то есть разрушить альфа-частицы в центре), нужно затратить энергию почти 30 МэВ, но для того, чтобы вытащить два нейтрона из гало, достаточно 1 МэВ для 6He и чуть больше 2 МэВ для 8He. Эта величина называется энергией отделения двух нейтронов, и она является одной из тех «болевых точек», про которые шла речь в начале новости.

Про ядра с нейтронным гало нужно сказать еще одну важную вещь. Они являются представителями так называемых «борромейских» ядер — ядер, которые скреплены из трех частей, причем никакие две не могли бы держаться вместе сами по себе. Например, ядро 6He можно представлять как набор «альфа-частица + нейтрон + нейтрон». Без помощи альфа-частицы два нейтрона вместе бы не удержались, но и без помощи второго нейтрона один нейтрон тоже не смог бы удержаться рядом с альфа-частицей. Всё ядро держится вместе именно потому, что все трое помогают друг другу в этом непростом деле. Кстати, именно поэтому чуть выше мы говорили про энергию отделения двух нейтронов. Отделить один нейтрон труднее, чем пару: если его убрать, то второй нейтрон тут же улетит прочь! Такое занятное поведение частиц — прямое следствие принципов квантовой механики.

Как измеряют нейтронное гало

Но довольно общих слов, перейдем к конкретике. Как физики умудрились понять, что в этих изотопах имеется столь странное образование, как нейтронное гало? Какие именно величины им для этого пришлось измерить? Ответ и прост, и сложен одновременно: они измерили радиус ядра. А точнее, несколько разных радиусов одного и того же ядра, и вот это уже нечто интересное.

Дело всё в том, что в квантовом мире понятие «размера ядра» зависит от того, каким образом, с помощью каких частиц этот размер измеряют. Если это ядро сталкивается с какими-то другими ядрами, то для такого процесса важны и протоны, и нейтроны, поэтому в таких столкновениях прощупывается «материальный радиус» ядра, rm. Если же это ядро одеть электронами, то есть изучать нейтральный атом, то с точки зрения электронов размер ядра — это размер его электрически заряженной области, просто потому, что электроны чувствуют прежде всего электрический заряд. Этот размер называется зарядовый радиус ядра, rc.

Для обычных ядер зарядовый и материальный размер примерно (или точно) равны. Это отражает равноправие между протонами и нейтронами, похожесть их распределений в ядре. Для ядер с нейтронным гало следует ожидать сильного различия: зарядовый радиус должен быть заметно меньше материального. Поэтому возникает естественная дорога к обнаружению гало: измеряем rc, измеряем rm, сравниваем друг с другом. Эти же величины можно попробовать вычислить теоретически на основе разных методов. Сопоставляя их с результатами измерений, можно выяснить, какая из теорий лучше описывает не только сами по себе радиусы, но и правильно воспроизводит все наблюдающиеся особенности: разность rm – rс, величину энергии отделения, зависимость этих характеристик с ростом количества нейтронов, и т. п.

Эта программа исследования, центром притяжения которой являются радиусы ядра, в схематичном виде представлена на рис. 3. Она содержит множество тонкостей, как экспериментальных, так и теоретических, на счет которых физики продолжают спорить и сейчас. Появившийся на днях обзор в Rev. Mod. Phys. постарался охватить самые горячие точки и отразить основные достижения последних лет. Мы в оставшейся части новости тоже обрисуем ключевые элементы этой схемы; за дополнительной информацией можно обратиться к списку литературы в конце новости.

Материальный, протонный и зарядовый радиусы ядра находятся в фокусе внимания при изучении ядер с нейтронным гало

Рис. 3. Материальный (rm), протонный (rp) и зарядовый (rc) радиусы ядра находятся в фокусе внимания при изучении ядер с нейтронным гало. Эти величины можно измерять экспериментально и находить теоретически и, сравнивая полученные значения, подвергать модели ядерных сил важным проверкам

Одну тонкость, возникающую при сравнении теории с экспериментом, мы упомянем сразу же. В примитивной модели ядерного устройства, в которой нуклоны (протоны и нейтроны) считались бы точечными частицами, распределение заряда в ядре было бы тождественно распределению протонов. В реальности ситуация сложнее. Во-первых, протоны сами по себе имеют размер, не сильно уступающий размеру легких ядер. Во-вторых, нейтроны, оказывается, имеют сложное распределение заряда внутри себя, поскольку они состоят из заряженных кварков. Заряд нейтрона в целом равен нулю, но этот ноль складывается из положительного заряда ближе к центру нейтрона и отрицательного заряда на его периферии. Эти и некоторые другие эффекты приводят к дисбалансу протонного и зарядового распределений, а значит, и к несовпадению зарядового радиуса (rc) и протонного радиуса (rp) ядра.

Так вот, в эксперименте измеряется именно rc, зарядовый радиус ядра, а теоретические вычисления выдают rp. Наведение мостов между этими двумя несовпадающими, но близкими величинами требует определенных усилий; это показано на нашей схеме волнистой линией. Для материального радиуса rm такой сложности нет.

Экспериментальная часть: от спектроскопии к зарядовому радиусу

Вообще говоря, измерять зарядовый радиус ядра можно с помощью рассеяния электронов на изотопно-чистой мишени на разные углы. Этот метод хорош для мишеней, сделанных из стабильных изотопов, но совершенно не подходит для изучения короткоживущих ядер. Поэтому единственный способ, который в этом случае может помочь, это спектроскопия атомов с такими изотопами, то есть аккуратное измерение энергетических уровней электронов.

Обрисуем вначале на примере изотопов гелия, как из спектроскопических измерений электронных уровней энергии можно извлечь зарядовый радиус ядра. Обычно оба электрона в атоме гелия находятся в основном состоянии. Поглотив фотон нужной энергии, электрон может перепрыгнуть на возбужденный уровень энергии, но спустя какое-то время он испускает фотон обратно и снова падает в основное состояние (самый правый рисунок на схеме на рис. 3). Можно теперь поймать в ловушку облачко атомов и светить на него лазерным лучом с некоторой частотой, причем эту частоту можно плавно менять в нужном диапазоне. Пока частота не совпадает с резонансной, никакого поглощения света нет. Но при подходящей частоте наступает резонанс, поглощение и излучение обратно фотонов резко усиливается, и детекторы зафиксируют всплеск фотонов, приходящих от облачка атомов. Определяя точное положение пика этой интенсивности по частоте, можно выяснить разницу между уровнями энергии.

Для типичных перескоков электронов в атоме (например, для перехода из состояния 2s в состояние 3p в атоме гелия) частота фотонов составляет примерно 1015 Гц. Однако она меняется, если учесть тот факт, что ядро не точечное, а имеет конечный размер. Это изменение очень небольшое, примерно 10−8 от самой частоты, то есть порядка 10 МГц, однако оно надежно детектируется экспериментально.

Далее, раз эта резонансная частота сдвигается из-за конечных размеров ядра, то она, разумеется, отличается для ядер разного размера. Получается, она зависит не только от самого химического элемента, но и от его изотопа, который мы измеряем; эта разница так и называется — «изотопический сдвиг». Тут, правда, тоже есть тонкость. Львиную долю изотопического сдвига составляет изменение массы ядра, а не его размеров. Например, теоретические вычисления показывают, что изотопический сдвиг для изотопа гелия 6He по сравнению с 4He составляет примерно

Δν6-4 (МГц) = 43196,171 − 1,010 (r2c, 6He − r2c, 4He),

где значения зарядовых радиусов выражены в фемтометрах. Таким образом, для того чтобы почувствовать отличие в зарядовых радиусах ядер гелия-4 и гелия-6, нужно измерить резонансные частоты перехода 2s-3p в этих двух изотопах гелия с погрешностью меньше 1 МГц, то есть с относительной точностью лучше одной миллиардной.

Современные спектрометрические исследования без труда позволяют достичь такой точности — правда, для стабильных изотопов. Но когда приходится работать с изотопами, которые живут меньше 1 секунды, такое измерение становится настоящим вызовом экспериментаторам. На рис. 4 показана схема экспериментальной установки GANIL во Франции, на которой был измерен зарядовый радиус ядра 8He; про эти результаты «Элементы» сообщали в 2008 году.

Схема экспериментальной установки по изучению спектроскопии атомов с тяжелыми изотопами гелия

Рис. 4. Схема экспериментальной установки по изучению спектроскопии атомов с тяжелыми изотопами гелия. Изображение с сайта www.phy.anl.gov

Сначала нейтроноизбыточные ядра гелия нужно получить. Это делается с помощью бомбардировки ядрами углерода 13C графитовой мишени, нагретой до 2000 градусов. Столкновения инициируют разнообразные ядерные реакции, и на выходе идут вперемешку разные изотопы легких элементов. Их разделяют на отдельные изотопные пучки низких энергий; нужный пучок затем направляют на тончайшую горячую графитовую пластинку, и ядра застревают в ней, «одеваясь» при этом электронами и превращаясь в атомы. Затем атомы испаряются в вакуум, тут же их подхватывает насос и направляет дальше. По пути атомы охлаждаются, а затем захватываются в центре атомной ловушки; там-то с ними и проводят спектроскопические эксперименты.

Напомним, что всё это происходит очень быстро, за доли секунды, ведь иначе тяжелые ядра гелия распадутся. Благодаря скоординированным действиям инструментов на всех этапах, этот «производственный цикл» от момента рождения ядер до их поимки занимает около полсекунды. Что касается количества атомов, то тут главной трудностью остается низкая эффективность поимки атомов в ловушку. На самом первом этапе тяжелых изотопов гелия рождается очень много, порядка 100 млн ядер гелия-6 и полмиллиона ядер гелия-8 в секунду. Однако в ловушке оказывается всего лишь одна десятимиллионная доля этого потока. Иными словами, в каждый заход ловушка может поймать с десяток атомов гелия-6, а в опытах с гелием-8 ловушка, как правило, пустует, и только иногда в нее удается захватить один-единственный атом.

Статистики пойманных фотонов при изменении отстройки от резонансной частоты

Рис. 5. Слева: статистика пойманных фотонов при изменении отстройки от резонансной частоты для одного атома 8He, прожившего в ловушке 0,4 секунды. Справа: то же после усреднения по 30 атомам. Изображение из обсуждаемой статьи в Rev. Mod. Phys.

Но физики и этому рады. С одним-единственным атомом, живущим десятую долю секунды, они успевают провернуть процесс поглощения-излучения фотона добрую сотню раз и быстренько просканировать интересующую их область частот. На рис. 5, слева, показан результат от одного такого атома 8He, который по счастливой случайности прожил долго, аж целых 0,4 секунды. Видно, что уже по одному такому эксперименту удается с неплохой точностью определить значение резонансной частоты перехода. Если же повторить этот цикл множество раз, то за час можно набрать и более точную статистику (рис. 5, справа). Точность измерения резонансной частоты по этому графику составляет 110 кГц, что заведомо достаточно для примерного измерения зарядового радиуса.

Наконец, для того чтобы определить материальный радиус ядра rm, спектроскопические измерения в атомах уже не годятся. Тут нужны уже эксперименты по столкновению ядер друг с другом. Их можно организовать, создав пучок ядер нужного изотопа, послав его на мишень и наблюдая процесс рассеяния ядер. Эти эксперименты с короткоживущими ядрами тоже представляют собой некую трудность, но не столь серьезную, как при изучении спектроскопии. Впервые эти эксперименты для тяжелых изотопов гелия были проведены в 80-х годах; результаты отражены в обзоре 1999 года. По угловой зависимости рассеяния ядер удалось измерить величины rm для всех нужных изотопов нейтроноизбыточных ядер.

Сводка результатов по определению протонного и материального радиусов изотопов

Рис. 6. Сводка результатов по определению протонного и материального радиусов изотопов 6He (слева) и 8He (справа). Синие значки показывают экспериментально полученные значения, красные — теоретические оценки. Кружочками показаны значения rp, треугольниками — rm. Для гелия-4 оба радиуса совпадают и известны хорошо (серая полоска слева). Изображение из обсуждаемой статьи в Rev. Mod. Phys.

На рис. 6 приведена сводка результатов экспериментального измерения и теоретического расчета протонного и материального радиусов rp и rm для гелия-6 и гелия-8. По материальным радиусам здесь приведены последние данные, полученные разными группами. Что касается протонных радиусов, то здесь обзор ссылается только на себя — видимо потому, что сами по себе эксперименты занимались определением rc, а не rp, а авторы обзорной работы пересчитали одну величину в другую.

Тонкости теоретических вычислений

Разберем теперь левую половину схемы на рис. 3. Речь тут идет о том, как, исходя из современных представлений о сильных взаимодействиях, вычислить зарядовый и материальный радиусы нейтроноизбыточных ядер. Сравнивая результаты этих теоретических расчетов с данными экспериментов, можно проверить, насколько адекватно тот или иной подход к описанию ядерных сил воспроизводит свойства экзотических ядер с нейтронным гало.

Уже на самой схеме видно, что это теоретическое вычисление состоит из нескольких этапов, и трудности подстерегают физиков на каждом этапе. Во-первых, в идеале нужно начинать с самых фундаментальных глубин, с взаимодействия кварков и глюонов, и постараться вывести отсюда силы, действующие между нуклонами. К сожалению, при низких энергиях эта задача оказывается неподъемно сложной для формульного решения. Единственный способ, который тут в принципе работает, это так называемые вычисления на решетках, которые опираются на зубодробительный компьютерный расчет. Прогресс тут идет, но он довольно медленный. В конце прошлого века физики могли худо-бедно оценивать таким методом свойства отдельных адронов; несколько лет назад наконец-то они в каком-то виде смогли воспроизвести взаимодействие между двумя протонами (см., например, Наступает новая эра в теоретической ядерной физике, «Элементы», 16.01.2007) и сейчас только подбираются к более тонким свойствам ядерных сил. Поэтому самая левая стрелка на рис. 3 — это скорее планы на будущее, чем реально полученный результат.

В ожидании результатов можно упростить себе задачу и подняться на один уровень выше, от кварков и глюонов к адронам. А именно, можно написать вообще все возможные типы взаимодействий между протонами и нейтронами, со спиновыми и многочастичными тонкостями, и поставить перед каждым таким взаимодействием численный коэффициент. Тогда можно стартовать с этой теории ядерных сил и пытаться отсюда вывести строение и свойства больших ядер. Вторая стрелка на рис. 3 как раз отвечает этому переходу от отдельных нуклонов к ядрам. Пусть коэффициенты пока не удается вычислить из фундаментальной теории, но их можно просто подобрать, сравнивая результаты расчетов с разнообразными экспериментальными данными. Количество экспериментальных данных намного больше, чем свободных параметров в теории, и поэтому такая теория будет обладать существенной предсказательной силой.

Поскольку появляется свобода в построении теории, существует несколько альтернативных методов расчета ядерных свойств из адронных взаимодействий. Одна из классических моделей здесь — это AV18, разработанная в середине 90-х годов 18-параметрическая модель двухнуклонного потенциала. Ее недавно стали дополнять современной моделью трёхнуклонного потенциала, самая последняя версия имеет кодовое обозначение IL7. Расчетов на основе модели AV18 существует великое множество, см., например, рис. 7.

Результаты нескольких вычислений в рамках модели AV18

Рис. 7. Результаты нескольких вычислений в рамках модели AV18 двух ключевых величин, протонного радиуса rp и энергии отделения двух нейтронов Esep. Изображение из обсуждаемой статьи в Rev. Mod. Phys.

Другая модель, обозначенная на схеме χEFT, это «киральная эффективная теория поля» — серьезный теоретический подход, позволяющий систематически строить взаимодействия всё большего количества адронов, правда, при не слишком высоких энергиях. В нем тоже есть много свободных параметров, но зато такие вещи, как трёхнуклонное взаимодействие, там возникают сами собой, их не надо дополнительно вставлять в теорию. Этот подход начал серьезно применяться к ядерной физике в 2000-х годах, и в последние годы достиг заметных успехов даже для умеренно тяжелых ядер. Однако почему-то до сих пор никто не взял этот подход на вооружение при расчетах ядер с нейтронным гало; знак вопроса на рисунке отражает этот факт.

Наконец, есть еще один метод, отмеченный на схеме как NCSM (no-core shell model, оболочечная модель без ядерного кора). Он был взят на вооружение совсем недавно, см. обзор 2013 года. Это усовершенствованная модель ядерного строения, которая берет всё хорошее от традиционных моделей ядерных оболочек, но только считает все нуклоны активными, не разделяя их на глубинные и поверхностные. Опубликованных расчетов тяжелых изотопов гелия на основе этой модели тоже пока нет, однако обсуждаемый обзор приводит некоторые предварительные результаты со ссылкой на переписку с их автором; эти численные значения сопровождаются на рис. 6 ссылкой «Maris, 2013».

Финальный аккорд

И вот, теперь ключевой момент. На рис. 7 видно, что результаты слегка различающихся расчетов, даже опирающихся на одну и ту же базовую модель (в данном случае, на AV18), не всегда совпадают друг с другом и могут сильно отличаться от экспериментально измеренных значений (черная звездочка на рисунке). Расхождения в такой величине, как энергия отделения двух нейтронов, достигает порой десятков процентов! Этот пример показывает, что вот эта конкретная величина является важной болевой точкой ядерных моделей. Именно ориентируясь на нее, можно понять, какие модели адекватнее схватывают тонкие характеристик ядерных сил, а какие в чем-то сбоят.

Очень хочется теперь посмотреть на то, что тут смогут продемонстрировать другие модели, в особенности киральная эффективная теория поля. Сравнивая их друг с другом по таким вот чувствительным параметрам экзотических ядер, можно делать далеко идущие выводы об адекватности самих теорий ядерных сил. Уточнив их свойства, можно затем более уверенно предсказывать и прочие характеристик ядер, причем необязательно именно нейтроноизбыточных.

Источник: Z.-T. Lu et al. Colloquium: Laser probing of neutron-rich nuclei in light atoms // Rev. Mod. Phys 85. P. 1383–1400 (2013); статья свободно доступна в виде е-принта arXiv:1307.2872 [nucl-ex].

См. также:
1) Р. Калпакчиева, Ю. Э. Пенионжкевич, Х. Г. Болен. Cильнонейтроноизбыточные изотопы легких элементов. Структура ядер // ЭЧАЯ 30. 1427 (1999) — обстоятельный обзор данных по состоянию на 1999 год.
2) I. Tanihataa, H. Savajols, R. Kanungod. Recent experimental progress in nuclear halo structure studies // Prog. Part. Nucl. Phys. 68. 215 (2013) — обстоятельный обзор данных по состоянию на 2012 год.
3) T. Frederico, A. Delfino, L. Tomio, M. T. Yamashita. Universal aspects of light halo nuclei // Prog. Part. Nucl. Phys. 67. 939 (2012) — обзор теоретических исследований.
4) Б. С. Ишханов, Э. И. Кэбин. Экзотические ядра // Учебное пособие МГУ (2002).
5) Ю. Э. Пенионжкевич. Ядерная астрофизика // Соросовский образовательный журнал. 10. 68 (1998).
6) Ю. Э. Пенионжкевич. Физика экзотических ядер // Соросовский образовательный журнал. 1. 92 (1995).
7) Измерен зарядовый радиус гелия-8 // «Элементы», 3.01.2008.
8) Ю. Ц. Оганесян. О ядрах и ускорителях. Что такое «хороший» ускоритель // Наука и жизнь №7, 2007.

Игорь Иванов


38
Показать комментарии (38)
Свернуть комментарии (38)

  • niki  | 18.10.2013 | 15:46 Ответить
    Вот такие ядра с огромным избытком нейтронов это не выход для синтеза элементов в районе острова стабильности? С ними трудно работать или принципиальные препятствия?
    Ответить
    • Angl > niki | 18.10.2013 | 15:53 Ответить
      Я так понимаю, трудности с получением ТЯЖЕЛЫХ нейтронно-избыточных ядер. Чтобы их получить, надо столкнуть много легких, причем на промежуточных этапах могут получиться вообще нежизнеспособные ядра.
      Ответить
    • spark > niki | 18.10.2013 | 19:22 Ответить
      Я думаю, не выход, но не 100% уверен. Там обычно сталкивают два средних ядра для получения одного сверхтяжелого; можно ли добавлять к одному сверхтяжелому такое легкое, чтоб получить другое сверхтяжелое, я не знаю. Навскидку мне кажется, что потоки будут мизерные, и ничего не выходе не будет.
      Ответить
      • niki > spark | 18.10.2013 | 19:35 Ответить
        А на Li это хозяйство заканчивается, в приличных количествах?
        Таких штук как пучок ядер какого нибудь элемента третьего периода с лишним десятком нейтронов не делают?
        Ответить
        • spark > niki | 18.10.2013 | 20:01 Ответить
          Пока самый тяжелый с нейтронным гало - это 22C. Есть другие изотопы, более тяжелые и нейтроноизбыточные, но без подтвержденного гало. Проблема в том, что у них времена жизни миллисекунды в лучшем случае, поэтому поток таких ядер в эксперименте будет мизерный.
          Ответить
          • niki > spark | 18.10.2013 | 20:08 Ответить
            Спасибо.
            Стало быть проблема техническая. Рано или поздно будет решена.
            А то шла речь что до острова стабильности в принципе нельзя добраться из-за отсутствия подходящих изотопов.
            Ответить
    • kbob > niki | 19.10.2013 | 11:27 Ответить
      Вообще Ca-48 используют во многих реакциях получения сверхтяжелых ядер, но это ядро содержит магическое число протонов и нейтронов (20,28) - оно компактное и никакого нейтронного галло в нем нет.
      Я думаю были попытки использовать и другие нейтронно избыточные ядра, но поскольку галло нейтроны слабо связаны они с малой вероятностью присоединяются к образующемуся атомному ядру.
      Ответить
  • kosta1968  | 18.10.2013 | 18:07 Ответить
    Я не понял, что такое ядра элементов с неправильным числом протонов?
    Ответить
    • spark > kosta1968 | 18.10.2013 | 19:23 Ответить
      Нет ни «правильного», ни «неправильного». Есть «необычные» числа протонов, не такие, как в подавляющем большинстве ядер. Скажем, есть ядра с протонным гало, но их еще меньше, чем с нейтронным.
      Ответить
      • kosta1968 > spark | 19.10.2013 | 16:09 Ответить
        В статье используется термин "аномальный", т.е. "ненормальный". Когда мы говорим о ядрах с различным числом протонов, мы говорим о ядрах разных элементов. Правильнее, я думаю, говорить об аномальном числе нейтронов в ядрах. А ядер с протонным гало не бывает, не так-ли?
        Ответить
        • Minbadar > kosta1968 | 19.10.2013 | 16:53 Ответить
          >А ядер с протонным гало не бывает, не так-ли?

          В википедии написано, что бывает: 8B, 26P, 17Ne, 27S http://en.wikipedia.org/wiki/Halo_nucleus
          Ответить
          • kosta1968 > Minbadar | 20.10.2013 | 00:31 Ответить
            В википедии ничего не написано про время жизни этих ядер, кроме того, что оно мало. Можно ли называть эти протоноизбыточные состояния ядрами, т.е. связанными объектами, характеризуемыми определенными параметрами, или это ядра элементов в процессе распада?
            Ответить
        • spark > kosta1968 | 19.10.2013 | 19:00 Ответить
          Ну да, аномальный в смысле необычный, неожиданный.
          Если мы хотим подчеркнуть особенность в протонном распределении, нет ничего страшного в том, чтоб говорить протонное гало.
          Я же сказал прямо: бывает. Вот уже привели ссылку на википедию, я еще могу порекомендовать посмотреть обзор Tanihata 2013 года в списке литературы, а также вот тут https://inspirehep.net вбить в поиск «f t proton halo»; работ довольно много.
          Ответить
          • kosta1968 > spark | 20.10.2013 | 00:38 Ответить
            К сожалению, не силен в английском. А на русском есть что-нибудь?
            Ответить
            • spark > kosta1968 | 21.10.2013 | 14:21 Ответить
              Извините, а когда вы в браузере вбиваете адрес, вы тоже отказываетесь вбиывать англоязычные адреса, ходите только на киридллические домены? Всё-таки без английского в минимальной степени вам прожить не получится. В крайнем случае, научитесь бегло пользоваться гуглопереводчиком. Вся информация, которая вас интересует, есть, а вы не хотите ее читать и задаете вопросы, надеясь, что кто-то будет специально для вас переводить английские тексты.
              Ответить
              • kosta1968 > spark | 22.10.2013 | 01:26 Ответить
                До сих пор обходился без английского, даже в школе, т.к. учил французский. Задавая вопрос о литературе на русском, рассчитывал получить ссылки на русскоязычные статьи, а не нравоучения.
                Ответить
                • spark > kosta1968 | 23.10.2013 | 23:59 Ответить
                  Как хотите. Вы, безусловно, вправе игнорировать информацию, находящуюся в свободном доступе. Только не делайте вид, что ее нет или вы не можете ее найти.
                  Ответить
                • prometey21 > kosta1968 | 04.11.2013 | 19:08 Ответить
                  Я учил немецкий. Но пришлось учить хоть как-то английский. С компьютерными переводчиками. Современную науку нельзя изучать серьёзно без английского.
                  Ответить
  • nicolaus  | 18.10.2013 | 21:55 Ответить
    Интересно, какой формы могут быть атомные ядра в нейтронной звезде на границе раздела фаз между нейтронной жидкостью и атомными ядрами. В воде возможно образование очень сложных органических молекул, таких как белки. По видимому, в нейтронной жидкости также нечего не мешает образованию ядерных структур неимоверной сложности.
    Ответить
    • tetrapack > nicolaus | 19.10.2013 | 07:58 Ответить
      Понятия атомных ядер в нейтронной звезде не существует. На то она и нейтронная. Это целиком, по сути, огромное ядро, состоящее из одних нейтронов, но удерживаемое уже не ядерными силами, а гравитацией.
      Ответить
      • nicolaus > tetrapack | 19.10.2013 | 11:14 Ответить
        Ваше утверждение не совсем верно. Нейтронная звезда имеет сложную структуру. В типовой нейтронной звезде можно выделить основные качественно отличные области – ядро и оболочки. Внешняя оболочка делятся на твердую кору и жидкий океан. На границе с вакуумом может находиться газообразная плазменная атмосфера, а на границе коры с ядром – жидкокристаллическая мантия. Твердая кора состоит из атомных ядер, организованных в кристаллические структуры. Мантия, если она существует, состоит из нескольких слоев, содержащих такие фазы вещества, в которых атомные ядра близки по своей форме не к сфере, а к цилиндру, плоскопараллельному слою или в виде других форм. Ниже мантии могут свободно плавать разрозненные ядерные структуры, возможно похожие, например, на снежинки в атмосфере Земли или льдинки на поверхности озера.
        Ответить
        • spark > nicolaus | 19.10.2013 | 19:19 Ответить
          Это известный сюжет в научной фантастике, но я не думаю, чтоб там реально могли образовываться сложные структуры. У коры действительно многослойное строение с разными промежуточными стадиями от просто сверхплотного обычного вещества и до ядерной материи, но там везде огромные давления. А сложные структуры давления держать не умеют. Максимум, что может быть, какие-нибудь ядерные кластеры, т.е. уже не отдельные ядра, но еще не сплошное ядерное вещество, но тут вряд ли что-то пространственно сложное можно организовать.
          Ответить
          • nicolaus > spark | 19.10.2013 | 20:46 Ответить
            С аргументом, что там большое давление, поэтому структуры разрушаются, не согласен. Даже на дне Марианской впадины существуют живые организмы и прекрасно себя чувствуют. Давление в нейтронной звезде сминает электронные оболочки. Однако речь идет о другом уровне энергий и давлений – которые характерны для ядерных структур. Все должно быть как раз наоборот. Например, высокое внешнее давление может стабилизировать атомные ядра со сверхвысокими атомными номерами от развала.

            Возможно, поле Хигса в вакууме создаёт гигантское давление на вещество, поскольку квант этого поля - бозон Хигса, такой тяжелый. Однако этого давления в вакууме совсем не чувствуется. Также, по видимому, совсем не будет чувствоваться сверхпроводящая и сверхтекучая среда с гигантским давлением в нейтронной звезде для плавающей в этой среде ядерной структуры.

            В работе http://ufn.ru/ufn10/ufn10_12/Russian/r1012b.pdf (стр.1293) указывается, что в мантии нейтронной звезды могут существовать «атомные ядра близкие по своей форме не к сфере, а цилиндру (так называемая фаза спагетти), к плоскопараллельному слою (фаза «лазанья»), а также «инверсные» фазы, состоящие из ядерного вещества с вкраплениями в него нейтронными цилиндрами («трубчатая фаза»)и шарами («фаза швейцарский сыр»).
            Ответить
            • spark > nicolaus | 21.10.2013 | 14:18 Ответить
              На дне Марианской впадины просто недостаточно большое давление. Пространственные структуры (из обычных атомов и молекул) перестанут образовываться, когда давление существенно сместит уровни энергии внешних электронов, из-за чего ослабнет ковалентная связь, и сложные молекулы уже просто не смогут держаться при обычных температурах. Какая-то пространственная периодичность выживет, например в кристаллах по-прежнему будет кристаллическая решетка (возможно, перестроившаяся), но это не то, что называют структурами, эту решетка жестко задана и не позволяет строить из нее что-то иное.

              Аналогично будет обстоять дело и в ядерной пасте. Да, какие-то замысловатые структуры предсказываются, но для каждого набора давлений и температур эти структуры фиксированы. Насколько я понимаю, у вас не будет свободы построения более сложных структур из имеющейся пасты.

              > Например, высокое внешнее давление может стабилизировать атомные ядра со сверхвысокими атомными номерами от развала.

              Давление чего? В таком экстремальном веществе из отдельных ядер на грани превращения в сплошное ядерное вещество давление будет передаваться теми же легкими ядрами или нейтронами, которые будут отщепляться и поглощаться. Так что тут не о стабилизации речь идет, а о динамическом равновесии.

              Поле Хиггса не создает никакого давления.
              Ответить
              • niki > spark | 21.10.2013 | 17:53 Ответить
                А почему они фиксированы при каждом давлении/температуре?
                Ответить
                • spark > niki | 21.10.2013 | 20:50 Ответить
                  Так откуда они берутся? Они берутся из условия минимизации свободной энергии. Если вы при данных условиях состряпаете какую-то не ту ядерную пасту, ее энергия будет неоптимальной, и она перестроится в оптимальную. Структуры в такой ситуации - это энергозатратная вещь. Конечно, возможны какие-нибудь тонкости, когда конечная температура позволяет некоторым ноптимальным структурам существовать в динамическом равновесии, но как-то мне кажется маловероятным, чтобы могло получиться что-то реально сложное. Ну и потом, эта паста вроде как предсказывается не всеми моделями ядерного вещества.
                  Ответить
                  • niki > spark | 21.10.2013 | 20:58 Ответить
                    Так и химические структуры энергозатратная вещь.
                    Для ядерной "химии" есть нечто запрещающее метастабильные состояния?
                    Ответить
                    • spark > niki | 24.10.2013 | 00:14 Ответить
                      Да нет, пожалуйста, только обычно метастабиьные состояния живут недолго. Например, кластеры из нескольких (десятков) молекул воды в обычной жидкой воде тоже есть, но они живут пикосекунды.
                      Ответить
                  • nicolaus > spark | 23.10.2013 | 20:58 Ответить
                    Если рассматривать слой в нейтронной звезде, где плотность вещества ниже ядерной, то обыкновенные атомные ядра там будут иметь минимум энергии, и иметь плотность выше средней. Поскольку средняя плотность слоя ниже ядерной, то между ядрами должны быть пустоты или разреженное нейтронное вещество.

                    Для того, чтобы разрушить эти ядра необходимо затратить энергию. Если температура среды достаточно низкая, эту энергию взять неоткуда. Поэтому структурам ядер нечего не угрожает.

                    Поскольку разные ядра могут быть сближены, между ними могут происходить ядерные реакции. При этом, например, все ядра превратятся в ядра железа,обладающие минимальной энергией.

                    Однако, это не единственный сценарий.

                    На рис. 1 показано, что протоны и нейтроны в ядрах изотопов гелия образуют весьма замысловатые и несимметричные относительно центра фигуры, причем, что интересно, для того чтобы эта структуры существовали необходимо взаимодействие сразу 3-х частей.

                    Мы привыкли считать атомы и атомные ядра шариками в связи со следующим.
                    Электромагнитное взаимодействие по своей природе является «центросимметричным» (притяжение или отталкивание между частицами осуществляется между центрами заряженных частиц). Внешняя оболочка атомов близка к шару в связи с тем, что центральный заряд привязан к ядру. В атомных ядрах существуют ядерные силы притяжения, которые на границе ядер однонаправленны, преимущественно к центру, поскольку с другой стороны ядер вакуум. Поэтому атомное ядро близко по форме к шару.

                    Если рассматривать плотную и однородную нейтронно – протонную среду, то ситуация меняется. В этих условиях для отдельного нейтрона (или протона) нет выделенных направлений, куда бы он мог стремиться. Однако, поскольку между нейтронами и протонами действуют силы, среда будет структурироваться. При этом структура среды будет отражать базовую структуру ядерных сил. Как показано в обсуждаемой статье структура ядерных сил явно не центросимметрична, а возможно и не осесимметрична. Поэтому будут формироваться не обязательно круглые ядра (вернее для круглых ядер нет никаких преимуществ в формировании). А если круглые ядра сформируются, то они организуются не обязательно в регулярную решетку.

                    Возможно, более выгодным будут блины, трубки, цепочки, звездочки и другие фигуры. При этом, со снижением температуры, будет возрастать разнообразие и сложность фигур, поскольку тонкую структуру этих фигур будут определять мультипольные поля с низкой энергетикой и невероятной сложностью. При этом структура (узор) образовавшихся фигур будет отображать внутреннюю структуру (узор) протона и нейтрона.

                    То, что не все модели подтверждают данные предположения вполне понятно. Даже для более простого случая из физической химии, когда структура сил является более простой, а величина сил известна с большой точностью, невозможно точно рассчитать исходя из первых принципов свойства даже простых молекул и их взаимодействие, не говоря о сложных молекулах живой материи.

                    Прошу извинить за длинное изложение своих мыслей.
                    Ответить
                    • spark > nicolaus | 24.10.2013 | 00:13 Ответить
                      Знаете, вы опять какие-то странные речи ведете. Как и в прошлые разы, вы рубите утверждение за утверждением, но при этом видно, что вы тут совсем не специалист, а опираетесь лишь на свои общие физические знания. Некоторые из них мне кажутся разумными, некоторые - неправильными, упрощающими реальную ситуация до невозможности.

                      Даже для парного взаимодействия нуклонов есть большие спиновые и изоспиновые вклады. Есть разнообратные резонансы, измеряющие структур ядер. Например, в том же гелии-6 два нейтрона из гало находятся вовсе не в s-волне, а в p-волне, причем этот орбитальный момент складывается со спином нейтрона в полный момент нейтрона 3/2. А если говорить про ядерное вещество с доядерной плотностью, то там могут быть всяческие промежуточные состояния, т.е. не только «ядерная лапша», но и например газ из альфа-частиц (при плотностях чуть меньше, чем плотность «ядерной лапшы»). И вообще, как в любой термодинамической сиетеме при определенной температуре, смотреть там надо не на плотность энергии, а на плотность свободной энергии, т.е. надо вычислять энтропию. И многое другое.

                      Спорить мне с вами не хочется, потому что это очень затратно по времени и усилиям, но промолчать тоже не могу, уж слишком неоправдана ваша самоуверенность.
                      Ответить
                      • nicolaus > spark | 25.10.2013 | 20:45 Ответить
                        Все правильно. Я не специалист в области физики. Я инженер, с философским складом ума, если можно так выразиться.

                        Есть гипотеза, связанная с предположением, что в нашем мире происходит постоянная эволюция материи. Следствием этой гипотезы, например, является то, большой взрыв не был началом нашего мира, а лишь переходом материи из одного состояния в другое – т.е. это был фазовый переход. Я немного об этом писал в комментарии 25.09.2013 20:42 и от 27.09.2013 20:13 http://elementy.ru/news?discuss=432089 . Также, следствием гипотезы является наличие единственной вселенной (во всяком случае не бесконечного количества вселенных), и очень простое объяснение антропного принципа - поскольку материя эволюционирует, то в конце концов усложнится настолько, что неизбежно появится разумная материя.

                        Еще одним следствием является то, что материя, которая прошла через большой взрыв, не потеряла системных свойств и в ней содержится очень большой объем информации. Эта информация сейчас просто закапсулирована в виде законов физики, свойств вакуума и элементарных частиц, как в генетическом коде живой материи.

                        Предположительно, эта информация проявилась в виде структур из атомов, из которых затем образовалась живая материя. Вполне возможно, что эта информация могла выразиться на другом уровне - в виде структур из ядерных частиц в нейтронных звездах.

                        Вполне естественно, что я пустился эту гипотезу защищать.
                        Ответить
                        • a_b > nicolaus | 26.10.2013 | 13:11 Ответить
                          Вы понимаете, что поступаете неэтично по отношению к И.Иванову?
                          Ответить
                          • nicolaus > a_b | 26.10.2013 | 14:21 Ответить
                            Да, наверное. Я тоже об этом подумал. Прошу извинить.
                            Ответить
              • nicolaus > spark | 21.10.2013 | 21:04 Ответить
                «На дне Марианской впадины просто недостаточно большое давление….»

                Я хотел сказать, что на чрезвычайно тонкие химические процессы, которые происходят в живом организме, давление среды (вода, плюс вся таблица Менделеева в виде раствора)не очень то оказывает воздействие. При этом со всех сторон в водном растворе в белковые молекулы ударяют молекулы воды и ионы металлов. И ничего не разрушается. Существенно больше влияние на рассматриваемые процессы оказывает температура среды. При 100 гр. С структура белка уже престает существовать.

                Интересно, кто-нибудь проводил опыты по выживанию живых организмов в условиях высоких давлений в водной среде, например 5000 кГ/см2, когда разрушается под односторонним давлением атомная решетка металла? Я думаю, глубоководная медуза этого давления и не заметит.

                Если применить простую аналогию, то все хорошо получается. По аналогии, давление среды может не оказывать существенное влияние на ядерные структуры. При этом в нейтронной звезде есть зона, где плотность вещества находится в пределах от 0,5 до 2 ядерной плотности – это внешнее ядро толщиной в несколько километров (http://ufn.ru/ufn10/ufn10_12/Russian/r1012b.pdf стр.1283). Где-то посередине есть точка равновесия двух фаз. В коре и в верхней части внешнего ядра плотность вещества меньше ядерной плотности и нет никаких препятствий для существования ядерной материи.

                Вообще говоря, в данном контексте следует рассматривать только остывшие нейтронные звезды. В пределе, даже до 10000 градусов или меньше (может быть, конечно, я слишком занизил температуру). При этой температуре сверхтекучая и сверхпроводящая среда, которая внутри звезды, не должна потерять свих свойств. Эта среда, в мире внутри нейтронной звезды, по существу, играет роль вакуума или земного океана. Теплового воздействия среды будет недостаточно, чтобы разрушить образовавшиеся ядерные структуры. При этом высокоэнергичные обменные ядерные процессы в этой звезде должны быть незначительными.

                В отношении того, что там, в звезде, могут образоваться только простые структуры, можно возразить тем, что эти структуры, в дополнение к электромагнитному, будут формироваться сильным и слабым взаимодействием, которые существенно сложнее электромагнитного. Поскольку фундамент является более сложным, то и структуры должны быть более сложными. Для доказательства этого достаточно взглянуть на атомное ядро с нейтронным гало, а также на рис.7. (Рис.7 отражает то обстоятельство, что в настоящее время нет удовлетворительной модели коллективных межчастичных взаимодействий, ввиду того, что эта модель, по видимому, очень сложная.)
                Ответить
  • Minbadar  | 18.10.2013 | 23:50 Ответить
    >... нейтроноизбыточные .. ядра представляют собой некий компактный протон-нейтронный «остов», вокруг которого на определенной дистанции находится один или несколько нейтронов. Это в чем-то напоминает электронное строение атомов I-II групп элементов; у них тоже почти все электроны сидят на компактных заполненных электронных оболочках, а один-два валентных электрона «болтаются» где-то поблизости.

    Продолжая аналогию с атомами, хочется спросить, а как выглядят возбужденные состояния ядер с нейтронным гало? У атома водорода например могут быть очень высоковозбужденные (ридберговские) состояния с совершенно феноменальным временем жизни, которое растет как n^3, а n там 1000 и больше. Здесь конечно потенциал другой и вообще, но нельзя ли нейтронное гало так же "раздуть" до чего-то еще более рыхлого и долгоживущего?
    Ответить
    • spark > Minbadar | 19.10.2013 | 19:28 Ответить
      Кулоновский потенциал особенный, в нем бывает много чего, что не работает в других потенциалах. В частности, из-за того, что он дальнодействующий, в него помещается бесконечно много возбужденных состояний. А в короткодействующие потенциалы помещается конечное число состояний, иногда очень мало. Состояния с гало — это связанные состояния на пределе удержания. Возбужденное состояние должно, как правило, лежать уже выше порога самопроизвольного развала системы. Если исключения и есть, то они должны быть очень редки.

      Можете взглянуть на обзор 1999 года, он у меня в списке ссылок есть. Там по каждому легкому нейтроноизбыточному ядру показан спектр возбужденных состояний. Я все не просмотрел, но по гелию получается, что все эти состояния уже несвязаны относительно спонтанного развала на остаток и нейтроны.
      Ответить
  • tetrapack  | 19.10.2013 | 08:04 Ответить
    Интересно, до сих пор ничего даже не подозревал о таких структурах, как нейтронное гало - век живи, век учись :)
    Да! Разыгралась фантазия. Одеть эти ядра в мюоны, столкнуть с нейтронодефицитными ядрами, одетыми в мюоны - и вот он тебе низкоэнергетический ядерный синтез! :)))
    А если серьезно, Игорь, есть один вопрос!
    На рис.6. зарядовый радиус ядра гелия-4 (альфа частица) почему-то меньше зарядового радиуса ядер гелия-6 и гелия-8 (те же альфа частицы). Это по причине вращения альфа частицы вокруг центра масс системы а-частица - нейтроны? Тогда почему этот радиус почти не зависит от того, 2 или 4 нейтрона "кружатся" вместе с а-частицой?
    Ответить
    • spark > tetrapack | 19.10.2013 | 19:37 Ответить
      Да, есть такая вещь. Там, видимо, действуют сразу несколько эффектов, и какой из них главнее, пока не понятно.

      Во-первых, простое разбухание остова ядра из-за того, что волновая функция этих внешних нейтронов простирается вплоть до самого центра и слегка расширяет центральную часть.

      Во-вторых, в ядрах обмен мезонами приводит к тому, что протоны мгут превращаться в нейтроны и наоборот. Если их пространственные распределения одинаковые, то это превращение происходит постоянно и активно, если сильно разные — то это только маленькая поправка, влияющая на структуру в целом. Ну вот она и влияет, слегка расширяя протонное распределение по сравнению с чистым остатком.

      В-третьих, как вы и написали, есть просто эффект отдачи. Масса внешних нейтронов всего вдвое меньше массы остова. Поэтому нельзя говорить, что они крутятся вокруг остова, надо говорить, что и они, и остов крутятся вокруг центра масс. Т.е. остов дополнительно размазан в пространстве, и это увеличивает протонный размер.

      4 нейтрона в гелии-8 сидят всё же компактнее, чем два нейтрона в гелии-6. Также, они более охватывают остов более симметрично, чем в гелии-6. Схематический рис.1 на самом деле старается воспроизвести угловые и радиальные корреляции нейтронов достаточно точно. Поэтому этот третий эффект в гелии-8 точно слабее, чем в гелии-6.
      Ответить
Написать комментарий

Другие новости


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»