Магические числа ядер: Почему одни элементы вечны, а другие живут мгновения?

Некоторые атомы стабильны, а другие распадаются за мгновения. Свинец-208, вероятно, сохранится навсегда, тогда как синтетический изотоп технеций-99 существует всего несколько часов. Разгадка этого феномена кроется в структуре атомного ядра. Определенные «магические числа» протонов и нейтронов делают некоторые изотопы устойчивыми к радиоактивному распаду.

Так что же это за магические числа и почему они так важны?

Устойчивость атомных ядер сильно зависит от количества содержащихся в них частиц. Такие изотопы, как свинец-208 и кальций-40, существуют с момента формирования Земли. Их называют реликтовыми, и они, вероятно, переживут даже гибель Вселенной. А вот огангссон-294 или теннессин-294 исчезают в процессе радиоактивного распада почти мгновенно: их периоды полураспада составляют всего 0,89 и 0,80 миллисекунды.

Устойчивость связана с массой ядра: тяжелые элементы, как правило, менее стабильны. Однако в середине XX века ученые обнаружили, что даже легкие элементы, такие как углерод-14 и калий-40, имеют радиоактивные изотопы. Их медленный распад создает значительную часть фонового излучения на планете. Интересно, что определенные числа протонов и нейтронов стабилизируют ядра. Эти значения и назвали магическими числами.

«Магическими считаются числа 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126, — объясняет Дэвид Дженкинс, ядерный физик из Йоркского университета (Великобритания). — Например, два протона и два нейтрона образуют ядро гелия, невероятно стабильную комбинацию».

Игра оболочек

Гелий, чьи ядра (альфа-частицы) высвобождаются при распаде тяжелых элементов, — лишь первый пример. «Почему распадающиеся атомы теряют именно альфа-частицы, а не отдельные протоны или нейтроны? Ответ в стабильности гелия, связанной с магическими числами», — говорит Дженкинс.

Другие «магические» ядра включают кислород-16 (8 протонов + 8 нейтронов), кальций-40 (20+20) и свинец-208 (82+126) — самый тяжелый из стабильных элементов. Для объяснения этого феномена физики разработали оболочечную модель ядра, аналогичную электронным оболочкам в атомах.

«Протоны и нейтроны заполняют ядерные оболочки, словно электроны на орбитах, — поясняет Дженкинс. — Переходы между оболочками требуют энергии, а полные оболочки делают ядро максимально стабильными». Заполненные оболочки усиливают действие сильного взаимодействия, удерживающего частицы вместе. Магические числа соответствуют полностью занятым оболочкам для протонов и/или нейтронов. Изотопы с магическими числами обоих типов (например, кислород-16) называют дважды магическими. Их ядра идеально сферичны, тогда как большинство ядер деформированы.

Границы стабильности

Пределы этой модели до сих пор неизвестны. Дважды магическое олово-100 (50+50) имеет период полураспада всего 1,2 секунды, а следующий за свинцом гипотетический унбигексий (126 протонов) так и не был синтезирован. Сможет ли магия чисел помочь ученым добавить восьмую строку в таблицу Менделеева?

Современные исследования
Сегодня эксперименты на ускорителях, таких как Объединенный институт ядерных исследований в Дубне или GSI в Германии, направлены на поиск «острова стабильности» — гипотетической области сверхтяжелых элементов с увеличенным временем жизни. Предполагается, что элементы с магическими числами протонов около 114–126 и нейтронов 184 могут оказаться стабильнее соседей. Например, открытый в 2006 году ливерморий-293 (116 протонов) живет десятки миллисекунд — недолго, но достаточно для изучения.

Однако даже эти элементы существуют лишь в лабораториях и мгновенно распадаются. Ученые экспериментируют с пучками частиц и мишенями, пытаясь «собрать» ядра с нужными числами. Сложность в том, что с ростом заряда ядра усиливается электростатическое отталкивание протонов, а сильное взаимодействие перестает доминировать.

Будущее ядерной физики
Новые модели, включающие квантовые эффекты и релятивистские поправки, помогают уточнить магические числа для сверхтяжелых элементов. Например, расчеты предсказывают, что следующее магическое число нейтронов — 184, но подтвердить это экспериментально пока не удалось. Исследования в этой области не только расширяют таблицу Менделеева, но и углубляют понимание фундаментальных сил, управляющих материей.