Недавно ученые открыли новый изотоп кислорода - кислород-28, который бросает вызов всем ожиданиям относительно его стабильности. Кислород-28 имеет самое большое число нейтронов, когда-либо наблюдавшееся в ядре атома кислорода, но при этом он быстро распадается, что ставит под сомнение наше понимание "магического" числа частиц в атомных ядрах.
Ядро атома состоит из нуклонов - субатомных частиц, состоящих из протонов и нейтронов. Если атомный номер элемента определяется числом протонов, то число нейтронов может варьироваться, что приводит к появлению различных изотопов. Например, кислород имеет 8 протонов, но может иметь различное число нейтронов.
Ранее наибольшее число нейтронов, наблюдавшееся в изотопе кислорода, составляло 18 в кислороде-26. Однако группа специалистов под руководством физика-ядерщика Йосуке Кондо из Токийского технологического института обнаружила два ранее невиданных изотопа кислорода: кислород-27 и кислород-28, содержащие 19 и 20 нейтронов соответственно.
Исследования проводились на пучковой фабрике радиоактивных изотопов RIKEN - установке, предназначенной для получения нестабильных изотопов с помощью циклотронного ускорителя. Вначале они обстреляли бериллиевую мишень пучком изотопов кальция-48, в результате чего образовались более легкие атомы, в том числе фтор-29 - изотоп фтора с 9 протонами и 20 нейтронами.
Чтобы создать кислород-28, исследователи выделили фтор-29 и столкнули его с мишенью из жидкого водорода для удаления протона. Эксперимент прошел успешно, но оказалось, что и кислород-27, и кислород-28 нестабильны: за очень короткое время они распадаются на кислород-24 и 3-4 свободных нейтрона.
Такая нестабильность удивительна, поскольку и 8, и 20 считаются "магическими" числами для протонов и нейтронов, соответственно. Магические числа означают количество нуклонов, полностью заполняющих оболочку, причем каждая новая оболочка имеет значительный энергетический разрыв по сравнению с предыдущей. Ядро, в оболочках которого и протоны, и нейтроны содержат магические числа, называется дважды магическим и, как ожидается, обладает высокой стабильностью.
Кислород-16, наиболее распространенная форма кислорода на Земле, является примером изотопа с двойным магическим числом. Считалось, что следующим после кислорода-16 изотопом кислорода с двойной магией является кислород-28, однако предыдущие попытки найти его не увенчались успехом. Однако последние результаты, полученные Кондо и его сотрудниками, свидетельствуют о том, что нейтронная оболочка в кислороде-28 заполнена не полностью, что ставит под сомнение, действительно ли 20 является магическим числом для нейтронов.
Интересно, что это открытие согласуется с явлением, известным как "остров инверсии", которое наблюдалось в изотопах неона, натрия и магния. В этих элементах оболочки с 20 нейтронами не закрываются должным образом. Теперь оказалось, что это явление распространяется также на фтор-29 и кислород-28.
Это открытие имеет большое значение для нашего понимания стабильности атомов и роли магических чисел в определении поведения изотопов. Для полного понимания природы кислорода-28 и его последствий для ядерной физики потребуются дальнейшие исследования.
