Нейтронные копилки
Алексей Левин
«Популярная механика» №1, 2008
Группе физиков из университета штата Мичиган в Ист-Лансинге удалось получить сверхтяжелые изотопы магния с более чем двойным избытком нейтронов над протонами.
Сейчас известно примерно три сотни стабильных изотопов и вдесятеро больше радиоактивных, в основном полученных в лабораториях. Стабильные изотопы сравнительно легких элементов обычно содержат примерно поровну нуклоны обеих разновидностей — нейтроны и протоны.
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.
Линии жизни
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.
Карта изотопов
Изотопы удобно размещать на диаграмме, где по горизонтали — число нейтронов, а по вертикали — протонов. Граница со стороны горизонтальной оси называется линией нейтронной устойчивости, со стороны вертикальной — протонной. Первая задает максимальное число нейтронов, которое можно добавить к данному количеству протонов, чтобы получить ядро с ненулевым временем жизни. Линия протонной устойчивости, напротив, задает минимум нейтронов, способных слиться с определенным количеством протонов. Так, для алюминия с его 13 протонами этот минимум составляет 9 нейтронов. Уберите из ядра алюминия-22 единственный нейтрон, и оно немедленно начнет плеваться протонами.
От первого лица
«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».
В поисках острова стабильности
А что же сулят эти результаты химикам? Этот вопрос «Популярная механика» 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 всё 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.
Логика стабильности
На карте изотопов хорошо видно, что все реально существующие изотопы сосредоточены на довольно узкой полосе. Сначала ее наклон к оси абсцисс составляет примерно 45 градусов, а затем несколько уменьшается. В центре полосы концентрируются стабильные изотопы, а по бокам — склонные к тем или иным распадам. Тут-то и возникает неясность. Понятно, что ядра не могут состоять из одних протонов, поскольку их разбивали бы силы электрического отталкивания. Но нейтроны вроде бы должны увеличивать межпротонные дистанции и тем самым это отталкивание ослаблять.
А ядерные силы, которые объединяют нуклоны в ядре, действуют одинаково и на протоны, и на нейтроны. Поэтому, казалось бы, чем больше в ядре нейтронов, тем оно стабильней. А коль скоро это не так, то по какой причине?
Ядерная материя подчиняется законам квантовой механики. Ее компоненты, нуклоны обоих видов, имеют полуцелый спин, а потому, как и все прочие такие частицы (фермионы), подчиняются принципу Паули, который запрещает одинаковым фермионам занимать одно и то же квантовое состояние. Это означает, что количество фермионов данного вида в определенном состоянии может выражаться лишь двумя числами — 0 (состояние не занято) и 1 (состояние заполнено).
В квантовой механике, в отличие от классической, все состояния дискретны. Ядро не разваливается потому, что нуклоны в нем стянуты воедино ядерными силами. Это можно наглядно представить такой картинкой — частицы сидят в колодце и просто так оттуда выскочить не могут (физики называют такой колодец потенциальной ямой). Протоны и нейтроны не одинаковы, поэтому в первом приближении рассаживаются в двух ямах, а не в одной (имеется и более продвинутая модель с одной-единственной общей ямой, однако ее применяют для тонкого учета межнуклонных взаимодействий). И в протонной и в нейтронной ямах имеется набор уровней энергии, которые могут занимать провалившиеся в них частицы. Глубина каждой ямы зависит от усредненного силового взаимодействия между ее пленниками.
Поскольку протоны взаимно отталкиваются электрическими силами, а нейтроны — нет, протоны спаяны слабее, нежели нейтроны, и их потенциальная яма не так глубока. Для легких ядер это различие невелико, однако оно нарастает по мере увеличения заряда ядра. А вот энергии самых верхних непустых уровней в обеих ямах должны совпадать. Если бы верхний заполненный нейтронный уровень был выше верхнего протонного, ядро могло бы снизить свою суммарную энергию, «вынудив» занимающий его нейтрон претерпеть бета-распад и превратиться в протон. А коль скоро такое превращение было бы энергетически выгодным, оно бы со временем непременно случилось и ядро оказалось бы нестабильным. Тот же самый финал имел бы место, если бы какой-то протон посмел превысить свой энергетический масштаб.
Но если протонная и нейтронная ямы обладают почти равной глубиной, что характерно для легких ядер, то числа протонов и нейтронов тоже оказываются примерно одинаковыми. По мере движения вдоль таблицы Менделеева число протонов нарастает и дно их потенциальной ямы все сильнее поднимается над дном нейтронного колодца. Поэтому тяжелые ядра должны иметь в своем составе больше нейтронов, нежели протонов. А вот если искусственно сделать эту разницу слишком большой (скажем, бомбардируя ядро медленными нейтронами, которые не разбивают его на осколки, а просто «приклеиваются»), нейтронный уровень сильно поднимется над протонным и ядро распадется. Эта схема, конечно, предельно упрощена, но в принципе правильна.
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».
