Даже с современными ускорителями и детекторами мы все еще не можем создавать и наблюдать множество экзотических изотопов, которые образуются при взрывах сверхновых и внутри ядерных реакторов. В результате значительная часть атомных ядер до сих пор остается неизученной. Предсказать некоторые из их свойств стало проще благодаря новой модели, описывающей атомные ядра, недавно опубликованной Dr.
Кшиштоф Мирник с физического факультета Варшавского университета (UW), Польша.
«В наши дни, когда просто список авторов, участвующих в публикации по ядерной физике, иногда составляет почти столько же, сколько основной текст самой статьи, статьи, написанные одним автором, являются настоящей редкостью.
В данном случае статья тем более необычна, что новая теоретическая модель была представлена физиком-экспериментатором », — говорит проф. Томаш Матулевич, директор Института экспериментальной физики физического факультета UW.
Современные теоретические модели атомных ядер делятся на две группы: микроскопические и феноменологические.
Микроскопические модели пытаются описать ядра, используя уравнения квантовой механики, что возможно только для ядер с относительно небольшим количеством протонов и нейтронов. Феноменологические модели, в свою очередь, не интересуются деталями лежащих в основе физических явлений, а вместо этого пытаются выявить более общие статистические корреляции между различными ядрами.
"Описание, основанное на самых основных квантово-механических принципах, можно придумать только для простых ядер, содержащих не более дюжины с лишним частиц.
Статистические модели, с другой стороны, хорошо работают только при работе с действительно большими наборами данных. И здесь возникает проблема, потому что количество протонов и нейтронов в большинстве атомных ядер находится где-то посередине: достаточно велико, чтобы сделать точное описание невозможным на практике, но в то же время достаточно мало, чтобы статистическое описание оставалось неточным », — сказал доктор. Мирник объясняет.
Современная физика признает четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное ядерное и слабое ядерное.
Гравитация действует между частицами, имеющими массу, тем самым формируя Вселенную в космических масштабах. Электромагнетизм связывает отрицательно заряженные электроны с положительно заряженными атомными ядрами, образуя атомы, которые мы можем видеть благодаря фотонам, которые являются носителями электромагнетизма. Сильное ядерное взаимодействие «склеивает» кварки вместе, образуя протоны и нейтроны, основные компоненты атомных ядер. По сравнению с этими тремя другими силами слабое ядерное взаимодействие может показаться незначительным.
"Нет ничего более далекого от правды! Слабые ядерные силы играют очень важную роль: именно благодаря им одни ядерные частицы могут превращаться в другие. Если бы не слабое взаимодействие, у нас не было бы так много химических элементов во Вселенной », — сказал доктор. Мирник говорит.
Звезды — главные фабрики по производству различных элементов во Вселенной. Однако протекающие в них термоядерные реакции не могут образовать атомные ядра тяжелее железа. К счастью, благодаря слабому взаимодействию внутри ядра иногда происходит нечто, называемое бета-минус-распадом: нейтрон превращается в протон плюс две другие частицы (электрон и электронный антинейтрино, которые быстро покидают ядро). В результате бета-минус-распада количество протонов в атомном ядре увеличивается, в каждом случае приводя к появлению нового химического элемента.
"Интересные вещи происходят не только во время самого распада бета-минус, но и после него. Новое ядро может находиться в возбужденном состоянии. Если у него относительно равномерное отношение нейтронов к протонам, он, вероятно, высвободит избыточную энергию, просто испуская гамма-излучение.
Но если нейтронов в ядре значительно больше, чем протонов, оно может испустить нейтрон. Следовательно, у нас есть бета-распад, за которым следует испускание запаздывающих нейтронов ", — сказал доктор. Мирник объясняет.
Запаздывающая эмиссия протонов — важный процесс в астрофизике. Взрывы сверхновых выпускают большое количество нейтронов, некоторые из которых захватываются атомными ядрами.
Один из основных путей производства новых элементов, ответственных за создание более или менее половины изотопов тяжелее железа, включает именно этот бета-минус-распад в сочетании с испусканием запаздывающих нейтронов.
«Отсутствие у нас знаний об экзотических атомных ядрах, которые образуются при взрывах сверхновых, представляет собой реальное препятствие на пути к полному пониманию происходящих там процессов», — сказал доктор. Мирник говорит.
Запаздывающая эмиссия нейтронов также важна здесь, на Земле: она позволяет относительно легко отслеживать развитие ядерных реакций в атомных реакторах.
Если бы во время распада урана немедленно высвободились бы все нейтроны, всегда была бы цепная реакция, приводящая к ядерному взрыву. К счастью, это не так.
Хотя только один нейтрон из каждых нескольких десятков, испускаемых распадающимся ураном, испускается с задержкой, этого небольшого отношения достаточно для управления реакцией.
Распад урана может привести к образованию около 270 различных атомных ядер, излучающих запаздывающие нейтроны. Однако на самом деле измерить их свойства — сложная задача. Из-за их короткого времени жизни большинство этих атомных ядер необходимо создавать искусственно.
Более того, обнаружение испускаемых нейтронов, которые несут информацию о том, как произошел распад, требует использования дорогих и неэффективных детекторов. Как следствие, современная физика определила свойства немногим более одной трети всех атомных ядер в этой группе.
"Давайте посмотрим на это с точки зрения инженера-строителя. Если определенные атомные ядра будут производиться внутри реактора, мы хотели бы знать, какие из них и как они будут себя вести.
Новое ядро может быть, например, изотопом криптона, который является благородным газом, или с таким же успехом это может быть рубидий, щелочной металл, который будет вести себя совершенно по-другому внутри реактора », -. Мирник говорит.
Модель испускания запаздывающих нейтронов, которую Dr. Мерник предложил расширение моделей, основанных на статистике.
Его ключевая идея заключалась в создании метода систематического анализа, основанного на одном из параметров (называемом плотностью ядерных уровней), чтобы предсказания модели максимально соответствовали экспериментальным измерениям. Разработанная таким образом модель позволяет систематизировать известные на сегодняшний день атомные ядра, а также предвидеть свойства экзотических ядер, которые еще не были изучены.
Как и всякая новая модель, эта тоже должна будет пройти настойчивую экспериментальную проверку. На данный момент он прошел предварительный тест, в котором количество известных атомных ядер было искусственно уменьшено, и предсказания модели, основанные на этом ограниченном наборе данных, были сопоставлены с известными параметрами ядер, которые были исключены. Доктор.
Мирник ожидает, что первые измерения новых атомных ядер, которые могут быть использованы для проверки точности модели, будут получены в результате экспериментов, которые скоро начнутся в Центре RIKEN Nishina в Японии.