Fizika ekzoticheskih yader

Yu.E.Penionzhkevich
Moskovskii inzhenerno-fizicheskii institut

Opublikovano v Sorosovskom obrazovatel'nom zhurnale , N 1, 1995 g. Soderzhanie

---

Legchaishie ekzoticheskie yadra

    Napomnim osnovnye svedeniya o stabil'nosti yader. Yadernye sily cherezvychaino sil'ny, no deistvuyut tol'ko na korotkih rasstoyaniyah. Stabil'nost' yader opredelyaetsya balansom prityagivayushih yadernyh sil mezhdu nuklonami: neitronami (n) i protonami (r), i ottalkivayushih kulonovskih sil, kotorye deistvuyut mezhdu zaryazhennymi protonami. Takim obrazom, v yadre osushestvlyayutsya raznogo tipa vzaimodeistviya - (n-r), (n-n), (r-r). Naibolee sil'nymi yavlyayutsya (n-r)-vzaimodeistviya. Poetomu naibolee stabil'nymi yavlyayutsya yadra s blizkim chislom neitronov i protonov, tak kak v nih osushestvlyaetsya maksimal'noe chislo (n-r)-vzaimodeistvii. Chistye (n-n)-sistemy yavlyayutsya nestabil'nymi (za isklyucheniem neitronnyh zvezd, gde stabiliziruyushimi silami yavlyayutsya gravitacionnye sily). Nestabil'ny i sistemy, sostoyashie iz malogo chisla protonov i bol'shogo chisla neitronov, i naoborot. Eto naglyadno illyustriruet karta yader, predstavlennaya na ris.3. Stabil'nye yadra, sushestvuyushie v prirode, - ih 273 - na nei predstavleny chernymi kvadratami. Iz risunka vidno, chto dlya yader s massoi bol'she 40 (N = Z = 20) kulonovskie sily sdvigayut liniyu stabil'nosti v storonu neitronoizbytochnyh yader (bol'shih N). Kulonovskie sily takzhe ogranichivayut oblast' sushestvovaniya tyazhelyh yader, dlya kotoryh korotkodeistvuyushie yadernye sily ne mogut kompensirovat' kulonovskie sily ottalkivaniya, i tyazhelye yadra s chislom protonov Z > 90 raspadayutsya putem spontannogo deleniya s obrazovaniem dvuh bolee stabil'nyh kuskov - oskolkov deleniya. Etim zhe ob'yasnyaetsya i to, chto yadra tyazhelee urana (Z > 92) v prirode poka ne obnaruzheny.
    Na ris.3 takzhe pokazana rasschitannaya teoretikami neitronnaya i protonnaya liniya stabil'nosti. Yadra, peregruzhennye neitronami (neitronoizbytochnye) ili protonami (protonoizbytochnye), raspolozhennye za liniei stabil'nosti, yavlyayutsya nesvyazannymi yadrami (net balansa mezhdu kulonovskimi i yadernymi silami) i raspadayutsya za vremya 10^-22 sekundy i menee. Nahozhdenie linii stabil'nosti yavlyaetsya samo po sebe vazhnoi i dostatochno slozhnoi zadachei, tak kak ee polozhenie zavisit ot mnogih parametrov, opredelyayushih svoistva yader. Radioaktivnye yadra, nahodyashiesya mezhdu liniyami stabil'nosti, a ih okolo 7000, mogut byt' sintezirovany tol'ko iskusstvenno. Chislo eshe neizvestnyh yader sostavlyaet okolo 4000 (zashtrihovannye oblasti na karte izotopov). Fizikam predstoit eshe mnogo raboty, chtoby priblizit'sya k linii stabil'nosti osobenno v oblasti srednih i bol'shih mass yader (N > 30). Chto kasaetsya yader legchaishih elementov (izotopov vodoroda, geliya, litiya, berilliya), to zdes' granica stabil'nosti uzhe dostignuta, to est' sintezirovany vse stabil'nye yadra.
    Mezhdu tem dazhe nestabil'nye yadra (s otricatel'noi energiei svyazi) mogut sushestvovat' v vide yadernyh sistem, v kotoryh vzaimodeistvie nuklonov privodit k poyavleniyu nekotoryh yadernyh sostoyanii, hotya i chrezvychaino korotkozhivushih (~10^-21 sekundy). Issledovanie takih korotkozhivushih yadernyh sostoyanii daet vazhneishuyu informaciyu o vozmozhnosti dal'neishego prodvizheniya k ostrovkam stabil'nosti, kotorye predpolozhitel'no sushestvuyut v "more" nestabil'nosti. Pervyi takoi ostrovok mozhet sushestvovat' dlya chisto neitronnyh yader s chislom neitronov okolo 20. Odnako v nastoyashee vremya eksperimental'no sintezirovat' takie neitronnye yadra nevozmozhno. Poka udalos' issledovat' stabil'nost' dineitrona (2n), trineitrona (3n), tetraneitrona (4n). Oni okazalis' nestabil'nymi, odnako dineitron okazalsya "pochti stabilen".
    Intriguyushaya situaciya sushestvuet so svoistvami sverhtyazhelyh izotopov vodoroda i geliya. Snachala byla obnaruzhena tak nazyvaemaya "gelievaya anomaliya", kogda stabil'nost' yader s uvelicheniem chisla neitronov pri priblizhenii k linii stabil'nosti ne umen'shalas', a dazhe uvelichivalas' (yadro ⁸Ne okazalos' bolee stabil'nym, chem yadro ⁶Ne). Takuyu zhe zavisimost' obnaruzhili i dlya nesvyazannyh izotopov geliya: geliya-5, geliya-7, geliya-9, geliya-10. V sisteme geliya-10 (dva protona i vosem' neitronov) byl obnaruzhen rezonans, kotoryi svidetel'stvoval, chto eto yadro ne svyazano vsego lish' na 1 megaelektronvol't. Vposledstvii takaya zhe anomaliya nablyudalas' i dlya tyazhelyh nesvyazannyh izotopov vodoroda (vodorod-6 okazalsya bolee stabil'nym, chem vodorod-4), proyavlyayushihsya takzhe v vide rezonansnyh sostoyanii. Eti zakonomernosti v povedenii energii svyazi tyazhelyh izotopov pozvolili bolee optimisticheski vzglyanut' na problemu sushestvovaniya ostrova stabil'nyh legkih elementov.
    Issledovanie svoistv yader, sil'noobogashennyh neitronami, pozvolilo obnaruzhit' eshe odno interesnoe yavlenie - sushestvovanie tak nazyvaemyh "neitronnyh galo". Eto yavlenie poyavlyaetsya u yader, nahodyashihsya u granicy stabil'nosti, takih, kak ⁸He,¹¹Li, ¹⁴Ve, ¹⁷V. V etih yadrah bylo eksperimental'no obnaruzhenie vysokoe znachenie nuklonnogo radiusa. Okazalos', chto u ¹¹Li dva slabosvyazannyh neitrona nahodyatsya na bol'shom udalenii ot osnovnogo ostova, predstavlyayushego iz sebya yadro 9Li. Radiusy etih yader v neskol'ko raz prevyshayut radiusy sosednih yader. Radiusy yader obychno vyrazhayut v femtometrah (Fm) (1 Fm raven 10^-13 sm).Tak vot, u yadra ¹¹Li radius okazalsya ravnym 12 Fm, togda kak dlya ⁹Li on raven 2.5 Fm. Neobychnaya struktura etih yader proyavlyaetsya v uvelichenii veroyatnosti protekaniya yadernyh reakcii s takimi yadrami, poskol'ku ona proporcional'na radiusu vzaimodeistvuyushih yader. Eta osobennost' yader s galo sygrala nemalovazhnuyu rol' v razvitii novogo napravleniya yadernoi fiziki - fiziki puchkov uskorennyh ekzoticheskih yader.

Nazad | Vpered

Publikacii s klyuchevymi slovami: yadernaya fizika Publikacii so slovami: yadernaya fizika
Sm. takzhe: 115-i element - preddverie "ostrova stabil'nosti"? Vodorod 7H Teoreticheskaya gruppa astrofiziki, yadernoi fiziki i fiziki chastic Bazel'skogo Universiteta (The Theoretical Astro-, Nuclear- and Particle Physics Group, University of Basel)