Тяжелые изотопы кислорода

Изучение ядер элементов в экстремальных физических условиях — это возможность получить новые данные об устройстве и структуре элементарных частиц. Особенно полезны для этого опыты с изотопами, в которых соотношение числа протонов и нейтронов сильно отличается от стабильных атомов. Изотопы легких элементов могут содержать относительно много нейтронов, но существуют они очень короткое время и быстро распадаются на нейтроны и более стабильные изотопы. Анализ этих явлений и позволяет проверить теоретические представления ядерной физики.

Богатые нейтронами изотопы кислорода не встречаются в природе. Физики получают их искусственно. Международная команда ядерщиков, возглавляемая профессором факультета физики Токийского технологического института Йосуке Кондо (Yosuke Kondo), сообщила о наблюдении двух изотопов кислорода с массовыми числами 27 и 28, причем последний зафиксировали впервые. Оказалось, что они существуют лишь как короткоживущие резонансы и быстро превращаются в кислород-24 и три или четыре нейтрона.

Исследование проведено на знаменитом ускорителе RIKEN RI Beam Factory, который позволяет получать интенсивные потоки нестабильных ядер и направлять их на мишень из жидкого водорода. Часть высокоскоростного потока ядер фтора-29 при встрече с мишенью теряла один-два протона и превращалась в изотопы кислорода с 27 и 28 нуклонами.

Физики изучали их свойства, напрямую наблюдая характеристики продуктов распада. Затем они сравнили энергии распадов с расчетами по оболочечной модели и разработанной ими статистической модели. Особо интересно теоретикам было ядро самого тяжелого кислорода-28, которое содержит 8 протонов и 20 нейтронов.

Дело в том, что 8 и 20 — это особые «магические» числа, соответствующие полному заполнению ядерных оболочек. Если следовать классической теории, то дважды магическое ядро должно быть особо устойчивым. Однако энергии распада, предсказанные теорией, разошлись с экспериментом. Эффективность преобразования фтора в изотоп кислорода-28 также не соответствовала представлению о полном заполнении ядерной оболочки 20 нейтронами.

Исследование не только дало возможность получить новый изотоп и усовершенствовать технику проведения сложных экспериментов, оно позволило получить принципиально новые данные о ядрах. Поэтому сейчас ученые также работают над внесением теоретических поправок в ядерные модели. Статья под названием «Первое наблюдение кислорода-28» вышла в журнале Nature.