Физики подтвердили наличие двойного магического числа в ядре олова-100.

Атомы состоят из ядра, окружённого электронной оболочкой. Внутри ядра находятся положительно заряженные протоны и нейтральные нейтроны. У одного элемента может существовать несколько изотопов, представляющих собой вариации, отличающиеся числом нейтронов в ядре. Например, кислород имеет 18 изотопов: у всех по восемь протонов, но количество нейтронов варьируется от двух до 20.

В ядерной физике определённые числа протонов и нейтронов в ядре — 2, 8, 20, 28, 50 и 82 — называют «магическими». Это означает, что такие атомные ядра имеют полностью заполненные ядерные оболочки и высокую устойчивость. Они хорошо противостоят деформации и обладают высокой симметрией.

Если в ядре одновременно присутствуют магические числа и протонов, и нейтронов, такой изотоп называется «дважды магическим». Он обладает особенно прочной структурой, которую исследователи изучают для проверки теорий ядерной физики.

Из-за короткого срока жизни и сложности производства олово-100 долгое время было трудно изучать. Физики не могли с уверенностью утверждать, обладает ли оно «двойной магией». Кроме того, не хватало данных о размере и форме ядер, близких к ¹⁰⁰Sn, чтобы подтвердить его структуру.

Недавно в ЦЕРН (Европейская организация по ядерным исследованиям) были собраны достаточные данные, чтобы подтвердить двойное магическое состояние олова-100. Результаты подтверждают, что ¹⁰⁰Sn имеет двойное магическое ядро с 50 протонами и 50 нейтронами. Эти выводы открывают новые горизонты для ядерной физики, позволяя создавать более точные теоретические модели.

Для более глубокого исследования учёные работали с изотопами индия. Они содержат на один протон меньше, чем олово-100. Такой индий стал отличной лабораторной моделью для изучения эволюции ядерной структуры вблизи магического устойчивого состояния олова-100. Разработка высокочувствительных методов лазерной спектроскопии позволила учёным провести необходимые измерения.

Теоретическая ядерная физика также активно развивается. Современные модели всё точнее описывают структуру тяжёлых изотопов. Обширный объём экспериментальных данных об электромагнитных свойствах ¹⁰⁰Sn помог не только подтвердить некоторые аспекты существующих теорий, но и установить новый стандарт для дальнейших исследований и моделирования.

«Эксперимент коллинеарной резонансной ионизационной спектроскопии (CRIS) на CERN-ISOLDE и производство экзотических изотопов индия на этой установке позволили нам провести точную лазерную спектроскопию атомных энергетических уровней индия, что предоставляет информацию об их ядерных электромагнитных свойствах», — пояснил профессор Рональд Гарсия Руис (Ronald Garcia Ruiz).

Собранные данные подтвердили двойную магическую природу олова-100, предсказанную теоретическими моделями. Для более глубокого понимания структуры этого изотопа первый автор исследования доктор Йонас Картхейн (Jonas Karthein) и его коллеги провели расчёты и уточнили строение изотопа.

«Наши результаты предоставляют убедительные доказательства двойной магической природы ¹⁰⁰Sn, что является ключевой экспериментальной информацией для понимания «острова стабильности» изотопов и разрешает разногласия, возникшие из спектроскопических экспериментов в различных лабораториях мира. Простая структура этих ядерных систем предлагает идеальную модель для улучшения нашего теоретического понимания атомных ядер», — прокомментировал доктор Картхейн.

Эти выводы помогут учёным разрабатывать более точные модели и проверять существующие теории. Ожидается, что дальнейшие исследования позволят проводить ещё более точные измерения нестабильных изотопов, что поможет глубже понять структуру и свойства нестабильных изотопов.

Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.