Kas yra stabilumo sala branduolyje? Magiški skaičiai ir kandidatai
Sužinokite apie branduolio stabilumo salas, magiškus skaičius ir potencialiai ilgaamžius izotopus (Ubh‑310, flerovis‑298) — naujausi atradimai ir hipotezės.
Cheminiai elementai, išskyrus šviną, yra radioaktyvūs ir neturi stabilių izotopų. Svarbu paaiškinti, kad šiame kontekste kalbama apie cheminius elementus, kurių atominis skaičius yra didesnis už 82 (t. y. sunkesnius už šviną) — būtent tokie elementai neturi ilgalaikiškai stabilų izotopų ir paprastai suyra per įvairias radioaktyvias reakcijas.
Branduolio apvalkalų modelis ir magiški skaičiai
Branduolio struktūrą patogiau suprasti, remiantis branduolio apvalkalų (shell) modeliu. Hipotezė, kurią minima straipsnyje, teigia, kad atomobranduolys yra sudarytas iš "apvalkalų" panašiai kaip elektronų apvalkalai atomuose. Šie apvalkalai yra kvantinių energijos lygmenų grupės, kurios išsidėsto tokiais būdais, kad tarp skirtingų apvalkalų dažnai atsiranda didesni energijos tarpai. Kai tiek neutronų, tiek protonų skaičius užpildo tam tikrą apvalkalą (t. y. užima visus leidžiamus kvantinius lygius tame apvalkale), vieno nukleono surišimo energija paprastai pasiekia vietinį maksimumą. Tai reiškia, kad tokie branduoliai yra palyginti stabilūs — jų skilimo greitis mažesnis nei aplinkinių izotopų.
Magiški skaičiai branduolių fizikoje tradiciškai yra 2, 8, 20, 28, 50, 82 ir 126 (tiek protonams, tiek neutronams priklausomai nuo atvejo). Šie skaičiai atsiranda dėl kombinacijos kvantinių lygių ir stiprios spin–orbit sąveikos branduolyje. Tolesnės teorinės prognozės rodo, kad sunkiausiuose branduoliuose gali atsirasti nauji magiški skaičiai — vienas iš svarbiausių kandidatų yra neutronų skaičius 184.
Kandidatai į stabilumo salą
Užpildytame apvalkale būtų "stebuklingas" neutronų ir protonų skaičius. Vienas iš galimų magiškų neutronų skaičių sferiniams branduoliams yra 184, o kai kurie galimi atitinkami protonų skaičiai yra 114, 120 ir 126. Tai reikštų, kad stabiliausi sferiniai izotopai būtų flerovis-298, unbinilis-304 ir unbiheksis-310. Ypač pažymėtinas Ubh-310, kuris būtų "dvigubai magiškas" (manoma, kad ir jo protonų skaičius 126, ir neutronų skaičius 184 yra magiški), todėl labiausiai tikėtina, kad jo pusėjimo trukmė būtų labai ilga. (Kitas gerai žinomas dvigubai magiškas branduolys — švino-208 — yra sunkiausias stabilus branduolys, kurio gyvavimo trukmė praktiškai neribota).
Reikia pabrėžti, kad įvairūs branduoliniai modeliai prognozuoja skirtingas pusėjimo trukmes ir netgi skirtingas magiškų skaičių kombinacijas. Kai kurios teorijos prognozuoja, jog izotopai salos centre gali turėti pusėjimo trukmes nuo sekundžių iki valandų ar net metų, tačiau kiti modeliai numato kur kas trumpesnes gyvavimo trukmes. Todėl tikslios reikšmės tebėra spekuliatyvios ir priklauso nuo pasirinkto branduolio modelio bei įtrauktų jėgų (pvz., koreliacijų, spin–orbit sąveikos, relatyvistikos efektų).
Deformacija ir „deformuotos“ magiškosios konfigūracijos
Naujieji eksperimentai ir pažangūs skaičiavimai rodo, kad dideli branduoliai linkę deformuotis (t. y. nėra tobulo sferinio formos). Deformacija pakeičia kvantinių energijos lygių išsidėstymą, todėl tradiciniai magiški skaičiai gali „paslinkti“ arba atsirasti nauji — vadinamieji deformuoti magiški skaičiai. Pavyzdžiui, dabar manoma, kad Hassium-270 yra dvigubai deformuotas magiškasis branduolys, kurio magiškieji skaičiai yra 108 (protonai) ir 162 (neutronai). Tačiau jo pusėjimo trukmė yra tik 3,6 sekundės, kas rodo, kad net „magiški“ sunkieji branduoliai gali būti trumpalaikiai.
Kaip randami ir identifikuojami sunkieji izotopai
Norint pasiekti stabilumo salą, reikia sintetinti labai sunkius izotopus, daugiausia jungiant lengvesnius branduolius greitintuvų sintezės reakcijomis (pvz., smūgiuojant sunkius taikinius protonų, α- dalelių ar sunkiųjų jonų srautu). Produkcijos tikimybės (sintezės kryžminis skerspjūvis) yra labai mažos — iš milijardų projektile patektų branduolių gali gimti vienas ar keli egzotiniai nukleidai per savaitę ar mėnesį. Aptikimas vyksta stebint sklidimo grandines (α-skiltys, β-atviri pereinamieji nuklidai) arba spontaninę skilimą.
Eksperimentai susiduria su keliomis kliūtimis:
- Labai mažos gamybos tikimybės ir trumpi gyvenimo laikai.
- Sunkumai pasiekti reikalingą neutronų perteklių (dauguma reakcijų gamina „neutronų varganus“ izotopus, kurių N yra per mažas salos centrui).
- Detektorių jautrumo ir greito duomenų apdorojimo poreikis — reikia atskirti tikras skilimo grandines nuo foninių signalų.
Praktinės paskirtys ir ribotumai
Buvo pagaminta izotopų, turinčių pakankamai protonų, kad jie atsidurtų stabilumo saloje, bet per mažai neutronų, kad jie atsidurtų net išoriniuose salos "krantuose". Tokie izotopai gali rodyti neįprastas chemines savybes dėl labai didelių elektroninių ir branduolinių relativistinių efektų. Jeigu rastųsi izotopų, kurie yra pakankamai ilgaamžiški (t. y. jų pusėjimo trukmė būtų praktiškai verta naudojimui), juos būtų galima panaudoti, pavyzdžiui, kaip dalelių greitintuvų taikinius, branduolinius tyrimų reaguojančius šaltinius ar neutronų šaltinius. Tačiau iki tol, kol nereikšmingai padidės gamybos efektyvumas ir izotopų gyvavimo trukmės, praktiškas pritaikymas lieka labiau hipotetinis.
Tyrimų perspektyvos ir išvados
„Stabilumo sala“ – tai patraukli, bet dar neišsami idėja branduolinėje fizikoje. Teorinės prognozės, skaičiavimai ir riboti eksperimentiniai duomenys leidžia manyti, kad saloje gali egzistuoti žymiai stabilesni super sunkiųjų elementų izotopai, bet galutiniai įrodymai dar nevisiškai gauti. Ateities didelio srauto greitintuvai, tobulėjantys detektoriai ir tarptautinės laboratorijos (pvz., Dubnos, GSI/FAIR, RIKEN ir kitos) toliau tiria šią sritį.
Apibendrinant: stabilumo sala yra branduolių modelių prognozuojama sritis, kurioje super sunkių elementų izotopai gali turėti palyginti ilgą gyvavimo trukmę dėl užpildytų branduolio apvalkalų (magiškų skaičių). Kandidatai tokiems izotopams yra flerovis-298, unbinilis-304 ir unbiheksis-310, tačiau deformacijos, sintezės sunkumai ir modelių skirtumai reiškia, kad reikia daugiau eksperimentinių patvirtinimų.
Periodinė lentelė, kurioje elementai nuspalvinti pagal jų stabiliausio izotopo pusėjimo trukmę. Stabilūs elementai. Radioaktyvieji elementai, kurių pusėjimo trukmė yra ilgesnė nei keturi milijonai metų. Elementai, kurių pusėjimo trukmė yra nuo 800 iki 34 000 metų. Pusėjimo trukmė nuo 1 dienos iki 103 metų. Pusėjimo trukmė nuo minutės iki 1 dienos. Pusėjimo trukmė trumpesnė nei minutė.
Klausimai ir atsakymai
Klausimas: Kokie elementai yra už švino ribų?
Atsakymas: Už švino esantys elementai yra radioaktyvūs ir neturi stabilių izotopų.
K: Kokia fizikos teorija paaiškina, kodėl kai kurių elementų pusėjimo trukmė ilgesnė?
Atsakymas: Fizikos teorija teigia, kad po kelių elementų, kurių pusėjimo trukmė trumpa, atsiras kitų, kurių pusėjimo trukmė ilgesnė, vadinamųjų stabilumo salų. Taip yra todėl, kad kai neutronų ir protonų skaičius visiškai užpildo tam tikro branduolio apvalkalo energijos lygmenis, vieno nukleono surišimo energija pasieks vietinį maksimumą, todėl tos konkrečios konfigūracijos gyvavimo trukmė bus ilgesnė nei gretimų izotopų.
Klausimas: Kokie yra sferinių branduolių magiškieji skaičiai?
A: Magiški sferinių branduolių skaičiai yra neutronų skaičius 184 ir protonų skaičiai 114, 120 ir 126. Tai reikštų, kad stabiliausi sferiniai izotopai būtų flerovis-298, unbinilis-304 ir unbiheksis-310.
Klausimas: Ar manoma, kad hasis-270 yra dvigubai magiškas?
A: Taip, manoma, kad Hassium-270 yra dvigubai magiškas deformuotas branduolys su deformuotais magiškais skaičiais 108 ir 162.
K: Kiek laiko trunka jo pusėjimo trukmė?
A: Jo pusėjimo trukmė yra 3,6 sekundės.
Klausimas: Ar yra kokių nors praktinių šių elementų panaudojimo galimybių?
Atsakymas: Taip, jei jų izotopai turi tinkamą gyvavimo trukmę, jie galėtų būti naudojami įvairioms praktinėms reikmėms, pavyzdžiui, kaip dalelių greitintuvų taikiniai arba neutronų šaltiniai.
Ieškoti