Экзотические ядра

Леонид Григоренко

Что происходит с атомными ядрами на границе долины стабильности

Представляем Вашему вниманию материал портала «ПостНаука» из гида «Атомы науки», приуроченного к 75-летию атомной промышленности. Партнер гида — Росатом.

Юлия Кузьмина для ПостНауки

Что это?

Часть карты нуклидов (ядер атомов) от легчайших до средних масс, на которой отмечены экзотические нуклиды, проявляющие необычные, «экзотические» свойства.

Атомное ядро — это центральная часть атома, в которой сосредоточены практически вся его масса и положительный электрический заряд. Оно представляет собой совокупность плотно упакованных протонов и нейтронов, удерживаемых вместе мощными короткодействующими ядерными силами — проявлением сильного взаимодействия в природе. В ядерной физике протон и нейтрон рассматриваются как два разных квантовых (изоспиновых) состояния одной частицы, называемой нуклоном.

В 1936 году датский физик Нильс Бор предложил капельную модель, согласно которой ядро рассматривается как капля несжимаемой заряженной «ядерной» жидкости. Эта простая модель неожиданно хорошо описывает ряд важнейших свойств большинства стабильных ядер и их соседей на карте нуклидов. Однако с ее помощью не описывается структура и поведение экзотических ядер — сверхтяжелых (с большим количеством нуклонов) и сильно «несимметричных» (с аномальным соотношением протонов и нейтронов).

Экзотические ядра могут проявлять совершенно неожиданные свойства. Они могут иметь форму, сильно отличную от сферической и даже эллиптической. Часто встречаются кластерные, представляющие собой не каплю, а что-то вроде молекулы, состоящей из нескольких ядер полегче. Также экспериментально были открыты ядра с нуклонным гало, у которых вокруг плотной массы основных нуклонов (или «кора») вращаются один или несколько «валентных» нуклонов-планет — протонов или нейтронов. Иногда даже возникают ядра с невозможным в классической физике борромиевским свойством гало, у которых потеря одного «валентного» нуклона ведет к обязательной потере еще одного или нескольких. Встречаются ядра, на поверхности которых выступает слой нейтронов, называемый нейтронной кожей. В экзотических ядрах могут катастрофически нарушаться закономерности «модели оболочек» — аналога периодического закона Менделеева в ядерной физике. В экзотических ядрах появляются новые виды радиоактивного распада — протонный, двухпротонный, а может быть и двухнейтронный и даже четырехнейтронный.

Борромиевские кольца — форма топологического зацепления в математике. Три кольца или более могут быть связаны, но при этом не будут взаимно зацеплены никакие из двух. Использовался в Средневековье как геральдический символ верности и теологический символ Троицы. Получил название по фамилии итальянских герцогов Борромино.

Чем это интересно для науки?

Экзотические ядра меняют представление о том, как может выглядеть и вести себя ядро атома. Они живут крайне недолго с точки зрения обыденного восприятия времени, однако достаточно долго с точки зрения ядерной физики, чтобы быть для нее подходящим объектом исследования. Так изотоп, претерпевающий бета-распад всего за 1 миллисекунду, для ядерной физики живет практически «вечность».

На Земле нельзя встретить образовавшиеся естественным путем экзотические ядра. Поэтому для изучения нам необходимо создавать их искусственно. Для современной ядерной науки важнейшей задачей является поиск оптимальных способов их синтеза и способов формирования из них аккуратных пучков, удобных для дальнейшего изучения (научное направление «исследования с пучками радиоактивных изотопов»). Кроме того, закономерности образования экзотических ядер и их свойства изучены еще недостаточно хорошо, поэтому принципиально важным направлением теоретической работы является создание и совершенствование моделей, описывающих поведение ядер атомов. Так, на кончике пера были открыты экзотические формы радиоактивного распада ядра — протонный и двухпротонный (Зельдович и Гольданский, 1960). Могут существовать и еще более экзотические формы радиоактивных распадов — двухнейтронный и четырехнейтронный.

Почему это важно знать?

Сегодня ядерной физике известно примерно 3300 стабильных и радиоактивных изотопов, и каждый год открываются десятки новых. Однако по разным теоретическим оценкам еще предстоит открыть 2000–3000 — огромный фронт исследований на десятилетия. Многие из новооткрываемых изотопов будут экзотическими. Их изучение имеет огромную значимость для понимания важнейших аспектов эволюции Вселенной — протекания «взрывных» процессов, таких как вспышки сверхновых, и происхождения во Вселенной тяжелых элементов, без которых невозможна сама жизнь.

Над материалом работали:
Леонид Григоренко, доктор физико-математических наук, профессор,
член-корреспондент РАН, главный научный сотрудник
Лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флерова ОИЯИ
Кристина Астахова, продюсер
Всеволод Кобляков, редактор