Физики из России выяснили, что заставляет атомы ртути превращаться в "яйца"

Российские и зарубежные ученые, работающие в ЦЕРН, нашли объяснение того, почему атомы некоторых изотопов ртути могут резко растягиваться, превращаясь в "яйцо", если из них выбить всего один нейтрон. Их выводы были представлены в журнале Nature Physics.

"Поведение таких экзотических ядер было крайне сложно не только наблюдать, но и просчитывать, из-за чего их форма оставалась загадкой для нас. Только после создания ускорителя RILIS в рамках проекта ISOLDE и объединения усилий с другими учеными мы смогли заглянуть внутрь этих изотопов", - заявил Брюс Марш (Bruce Marsh), представитель ЦЕРН и глава коллаборации.

Тайны микромира

Ядро атома может быть более или менее устойчивым в зависимости от того, заполнены ли до конца оболочки из нейтронов и протонов. Если оболочки заполнены, то ядро более устойчиво. Таким образом, изотопы с ядрами, содержащими определенное количество нейтронов и протонов - "магические числа" - могли существовать достаточно долго. До сих пор ученым было известно только семь магических чисел - 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126.

При избытке нейтронов или при их нехватке ядра тяжелых элементов становятся крайне неустойчивыми. В некоторых случаях они приобретают крайне необычную форму, похожую на грушу, мяч для регби или яйцо. Почему это происходит, физики пока понимают далеко не полностью.

К примеру, примерно полвека назад ученые ЦЕРН нашли намеки на то, что ядра некоторых изотопов ртути, таких как ртуть-181, ртуть-183 и ртуть-185, имеют вытянутую форму и несколько других аномальных свойств. При этом атомы свинца, похожие на них по массе и отличающиеся лишь двумя "лишними" протонами, а также остальные изотопы ртути, выглядят вполне заурядно, напоминая обычный круглый футбольный мяч.

Участники коллаборации ISOLDE, как отмечает Марш, уже много лет изучают и "магические" ядра, и их нестабильные антиподы, проверяя эти открытия и пытаясь понять, что происходит внутри подобных ядер и как по ним распределены протоны и нейтроны.

Для ответа на этот вопрос физики недавно создали ускорительную установку RILIS, которая разгоняет ядра интересующих ученых элементов до сверхвысоких скоростей и считывает их форму, обстреливая их пучками лазерного излучения.

Когда эти лучи сталкиваются с атомами, их фотоны взаимодействуют с электронами, вращающимися вокруг ядра, и их свойства незаметным образом, но меняются, что отражается на их спектре. Отслеживая эти изменения, ученые могут определять форму и размеры этих атомов, а также многие другие их свойства.

Ядра-перевертыши

В прошлом, подобные эксперименты уже проводились, однако детекторам прошлых поколений не хватало точности, чтобы доказать, что ядра некоторых изотопов ртути похожи по форме не на шар, а на мяч для регби. Установка RILIS не только помогла решить эту проблему, но и открыть еще два "аномальных" изотопа - ртуть-177 и ртуть-179, чьи атомы в среднем живут всего несколько сотен миллисекунд.

Используя данные, собранные в ходе этих наблюдений, физики попытались понять, что заставляет шарообразные ядра ртути превращаться в "яйца", используя методы математического моделирования.

Их расчеты показали, что яйцеобразная форма атомов ртути-181, ртути-183 и ртути-185 была связана с тем, что внутри них существовала группа из четырех протонов и нескольких связанных с ними нейтронов, отличавшихся аномально высоким уровнем энергии.

Взаимодействия этой "могучей кучки" частиц с остальными протонами и нейтронами определяют форму ядра. Если нейтронов в нем содержится нечетное количество, то тогда оно деформируется, а при четном числе частиц обе "группировки" уравновешивают друг друга. Что интересно, любые возбуждения будут заставлять атом превратиться из шара в яйцо и наоборот, в зависимости от изначального числа нейтронов.

Как надеются физики, их расчеты и экспериментальные данные помогут открыть еще более экзотические формы атомных ядер, интересные с точки зрения поисков "островка стабильности" - особой области масс и атомных чисел в периодической таблице Менделеева, элементы которой не распадаются неожиданно долгое время.