Фізики виявили, що кремній-22 розкриває нове магічне число протона, що дає критичне розуміння структури ядра та сил, що формують найрідкісніші атоми Всесвіту. У ядерній фізиці «магічні числа» стосуються певної кількості протонів або нейтронів, які роблять атомне ядро значно стабільнішим. Визначення цих особливих чисел відіграє ключову роль у допомозі вченим розкрити структуру атомних ядер.
Хоча магічні числа, пов’язані зі стабільними, довгоживучими ізотопами, були вивчені протягом десятиліть, ситуація менш зрозуміла для дуже нестабільних, короткоживучих ізотопів. Вивчення цих рідкісних і швидкоплинних форм матерії дає вченим цінні підказки про те, як ядерні структури поводяться в екстремальних умовах. Ці відкриття не лише дають уявлення про те, як утворилися елементи у Всесвіті, але й розширюють наші знання про сили, що утримують атомні ядра разом.
Нещодавно вчені з Інституту сучасної фізики (IMP) Китайської академії наук досягли першого у своєму роді вимірювання маси кремнію-22. Цей ізотоп є надзвичайно нестабільним і не містить нейтронів. Їхня робота показала, що в кремнії-22 кількість протонів 14 відповідає нещодавно підтвердженому магічному числу. Їхні висновки нещодавно були опубліковані в журналі Physical Review Letters.
Модель оболонки та відомі магічні числа
Атомні ядра складаються з протонів і нейтронів. Коли кількість протонів або нейтронів досягає «магічного числа», такого як 2, 8, 20, 28, 50, 82 або 126, ядро стає стабільнішим. Марія Гепперт-Маєр та Й. Ганс Д. Єнсен пояснили це явище в 1940-1950-х роках за допомогою моделі ядерної оболонки, за що вони були удостоєні Нобелівської премії з фізики 1963 року. В останні роки дослідження екзотичних ядер, розташованих далеко від долини стабільності — області на нуклідній діаграмі, де знаходяться стабільні ізотопи, — виявили нові магічні числа нейтронів, такі як 14, 16, 32 та 34. Однак нові магічні числа протонів залишаються рідкістю в експериментальних спостереженнях.
Раніше вчені виявили, що в кисні-22 (14 нейтронів і 8 протонів) нейтрон номер 14 проявляє магічні характеристики. Виходячи з дзеркальної симетрії ядра, теоретики передбачили, що протон номер 14 також має бути магічним числом у своєму дзеркальному ядрі, кремнії-22 (8 нейтронів і 14 протонів). Однак отримання та вимірювання кремнію-22 є надзвичайно складним завданням через його низький вихід і короткий період напіврозпаду, що залишає це теоретичне передбачення неперевіреним досі.
Удосконалена мас-спектроскопія в IMP
Використовуючи покращену Bρ-визначену ізохронну мас-спектрометрію, дослідники з IMP успішно виміряли масу кремнію-22 в основному стані в охолоджувальному кільці-накопичувачі Дослідницького центру важких іонів у Ланьчжоу. Вони також майже в сім разів покращили точність маси раніше виміряного кремнію-23.
Їхні результати показують, що кремній-22 має позитивну енергію розділення двох протонів, іншими словами, він не втрачає спонтанно два протони. Це підтверджує його статус як ядра крапельної лінії протонів без двопротонної радіоактивності, тим самим вирішуючи давню дискусію в ядерній фізиці.
Використовуючи нове значення маси, команда розрахувала енергію спарювання протонів кремнію-22 та порівняла її з енергією спарювання нейтронів його дзеркального ядра кисню-22, виявивши нове магічне число протона 14. Це відкриття підтверджується моделлю оболонки Гамова.
Хоча кремній-22 демонструє властивості подвійної магії, подібні до кисню-22, дослідження виявило, що його просторовий розподіл протонів більш розсіяний порівняно з розподілом нейтронів кисню-22, демонструючи незначне порушення симетрії. Це дослідження поглиблює наше розуміння екзотичних ядерних структур і надає нове розуміння взаємодії нуклонів та існування надзвичайно екзотичних ядер.