Мы можем сказать многое об атомных ядрах более или менее определенно, но мы знаем наверняка: в их природе нет ничего скучного, несмотря на то, как нас учили этому в старших классах. В качестве доказательства мы можем взглянуть на недавний эксперимент, в котором изучалось, как протоны в атомных ядрах могут по-своему участвовать в популярном спорте. Команда исследователей из итальянского Университета дельи Студи ди Милано (UniMi) и Института ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN) в Кракове наряду с широким международным сотрудничеством впервые измерила необходимое время чтобы одиночный протон в ядре синхронизировался с колебаниями ядра. Достижение можно проиллюстрировать аналогией: некоторые протоны могут «плавать» по поверхности ядра, и мы наконец знаем, сколько времени им нужно ждать, чтобы поймать волну.
Атомные ядра содержат от одного протона до более чем 200 протонов и нейтронов, и, как атомы, они могут поглощать и излучать определенное количество энергии. В атомах эти процессы сопровождаются переходами электронов между орбиталями, лежащими дальше или ближе к ядру и группирующимися в электронных оболочках. Подобно электронам вокруг ядра, протоны и нейтроны одних и тех же ядер находятся в постоянном движении.
Хотя они не вращаются вокруг выделенной точки, оказывается, что можно говорить о существовании в ядрах определенных оболочек с четко определенными энергиями. В целом пространство в этих оболочках может быть занято как протонами, так и нейтронами. Однако некоторые оболочки предназначены для протонов, а другие — только для нейтронов.
Чтобы перейти на соседний слой, иногда может потребоваться поглощение или излучение большого количества энергии (особенно это происходит, когда оболочки полны). Если доступная энергия меньше, ядро все еще может изменить свое энергетическое состояние, но более изощренным способом: оно начинает вибрировать. Известно, что в такой ситуации протон или нейтрон могут взаимодействовать с колебаниями ядра.
На первый взгляд явление кажется очень абстрактным. Между тем, подобный механизм играет важную роль в популярном культовом виде спорта. То есть, как мы уже говорили, серфинг.
«Серфингисты могут долго ждать подходящей волны. Но когда она приходит, это не всегда означает, что хорошее время гарантировано!
Если серфер просто таращится на нее, она пройдет, и он просто появится на Поверхность похожа на пробку. Настоящее удовольствие приходит только в том случае, если он может рассчитать время своего прыжка на волне. Хороший серфинг зависит от точной гармонии между серфером и волной. Точно так же при соответствующих условиях протоны «прыгают» на колебаниях поверхности волны. атомного ядра и путешествовать с ними.
И я думаю, что они более естественные серферы, чем люди: в конце концов, они делают это в экстремальных условиях, и им не нужна доска … », — объясняет профессор Богдан Форнал (IFJ PAN ).Взаимодействие протона с колебанием ядра трудно изучать, потому что должна существовать система, в которой единственный протон находится вне оболочки, полностью заполненной многочисленными протонами и нейтронами. Для наблюдения за «протонными серферами» итальянско-польская группа провела эксперимент в лаборатории Института Лауэ-Ланжевена в Гренобле, в котором сгустки урана-235U и плутония 241Pu размером миллиметра были облучены нейтронами. Чтобы увеличить вероятность захвата атомными ядрами, нейтроны были значительно замедлены.
Когда нейтрон соединился с ядром мишени, система стала нестабильной и по-разному распадалась. Среди продуктов распада были возбужденные ядра сурьмы 133Sb.«Ядро сурьмы 133Sb — это в основном ядро олова 132Sn с дополнительным протоном. Олово 132Sn особенное: оно содержит 50 протонов и 82 нейтрона, ровно столько, чтобы полностью заполнить нейтронную и протонную оболочки.
В этом ядре — то, что мы называем дважды магическое ядро - прыжок от оболочки к оболочке требует испускания или поглощения большого количества энергии. Сурьма 133Sb была настолько интересна для нас, потому что она дает нам слабосвязанный протон и компактное ядро, которое склонно к колебаниям, и это идеальная система для проверки сцепления », — объясняет профессор Форнал.Ядра сурьмы 133Sb избавляются от избыточной энергии, испуская гамма-кванты нескольких определенных энергий. В эксперименте регистрировалось излучение, и результаты сравнивались с теоретическими предсказаниями.
Таким образом было установлено, через какие энергетические состояния ядро 133Sb возвращается в основное состояние. Ученые обнаружили, что путь распада состоит из двух частей: одна с несвязанным протоном, а другая с протоном, связанным с колебаниями ядра. Собранные данные показывают, что когда дело доходит до взаимодействия, ядро быстро теряет энергию, и такая же связь сохраняется на всех последующих ступенях вниз по лестнице энергии.
«Сначала мы измерили время, необходимое протону, чтобы соединиться с колебаниями ядра. В результате мы знаем, что, когда протон прыгает на волне, он ведет себя как чемпион-серфер: он остается там до тех пор, пока волна не рухнет, то есть до тех пор, пока ядро не достигнет основного состояния. Наиболее сложными для протона являются переходы между несвязанным и связанным состояниями, то есть попадание на волну », — говорит профессор Форнал.
Интересно, что несколько протонов могут объединяться и взаимодействовать с колебаниями оболочек. Затем они образуют своего рода группу, которая действует очень замысловато, взаимодействуя не только с волнами, но и между собой.Результаты эксперимента (с польской стороны, финансируемого за счет грантов Национального научного центра) важны в контексте дальнейших исследований ядер, богатых нейтронами.
Науке теперь известно о 258 стабильных ядрах и примерно 3000 нестабильных — примерно столько же, сколько у всех известных экзопланет. Прогнозируется, что количество атомных ядер всего от 7 до 9 тысяч. Так что по крайней мере вдвое больше ядер, чем мы узнали за всю историю ядерной физики, все еще ждут своего открытия и исследования. Единая согласованная модель атомного ядра была бы чрезвычайно полезной в этом поиске, но взаимодействия в атомных ядрах настолько сложны, что даже после десятилетий непрерывных согласованных усилий такая модель еще не создана.
Школьному учителю очень легко описать, например, электростатическое взаимодействие между двумя телами с помощью электрических зарядов, потому что зарядов всего два, а сила между ними зависит только от их взаимного расстояния. Протоны и нейтроны в ядре связаны сильным взаимодействием, но сильное взаимодействие зависит не только от расстояния между каждой парой взаимодействующих ядерных частиц, но и от постоянно меняющейся взаимной ориентации их спинов (углового момента).
Кроме того, ядра — это тяжелые элементы, в состав которых входят не только две частицы, но и значительное количество протонов и нейтронов, все взаимодействующие друг с другом и движущиеся в поле, создаваемом другими. Вся система настолько сложна, что пока построены только приближенные модели, каждая из которых достаточно хорошо описывает только некоторые аспекты ядерной реальности. В этой ситуации чрезвычайно важны любые качественно новые экспериментальные измерения.«Наш совместный эксперимент в ILL предоставил моей группе данные, которые позволили построить новую модель для лучшего описания взаимодействия протонов с колеблющимся ядром.
Это вероятности, при которых возбужденные ядра снимают возбуждение отдельных энергетических состояний. В результате мы можем лучше предсказать свойства ядер с большим избытком нейтронов, в том числе тех, которые только ждут своего открытия », — заключает профессор Сильвия Леони ( UniMi).Модель, построенная и спроектированная на основе опыта физиков из UniMi и IFJ PAN, является значительным шагом на пути (помимо прочего) к лучшему пониманию механизмов, ответственных за образование элементов тяжелее железа во Вселенной (т. Е. Элементов образуются в процессе, инициированном быстрым захватом нейтронов, испускаемых в больших количествах при взрывах сверхновых).
Еще одна потенциальная область применения модели — ядерная энергетика. Его использование здесь может помочь лучше предсказать, как ядра, образованные в результате реакций в реакторах, распадаются, и, таким образом, внести вклад в дальнейшее обеспечение их безопасности.