Физика экзотических ядер

Ю.Э.Пенионжкевич
Московский инженерно-физический институт

Опубликовано в Соросовском образовательном журнале , N 1, 1995 г. Содержание

---

Легчайшие экзотические ядра

    Напомним основные сведения о стабильности ядер. Ядерные силы черезвычайно сильны, но действуют только на коротких расстояниях. Стабильность ядер определяется балансом притягивающих ядерных сил между нуклонами: нейтронами (n) и протонами (р), и отталкивающих кулоновских сил, которые действуют между заряженными протонами. Таким образом, в ядре осуществляются разного типа взаимодействия - (n-р), (n-n), (р-р). Наиболее сильными являются (n-р)-взаимодействия. Поэтому наиболее стабильными являются ядра с близким числом нейтронов и протонов, так как в них осуществляется максимальное число (n-р)-взаимодействий. Чистые (n-n)-системы являются нестабильными (за исключением нейтронных звезд, где стабилизирующими силами являются гравитационные силы). Нестабильны и системы, состоящие из малого числа протонов и большого числа нейтронов, и наоборот. Это наглядно иллюстрирует карта ядер, представленная на рис.3. Стабильные ядра, существующие в природе, - их 273 - на ней представлены черными квадратами. Из рисунка видно, что для ядер с массой больше 40 (N = Z = 20) кулоновские силы сдвигают линию стабильности в сторону нейтроноизбыточных ядер (больших N). Кулоновские силы также ограничивают область существования тяжелых ядер, для которых короткодействующие ядерные силы не могут компенсировать кулоновские силы отталкивания, и тяжелые ядра с числом протонов Z > 90 распадаются путем спонтанного деления с образованием двух более стабильных кусков - осколков деления. Этим же объясняется и то, что ядра тяжелее урана (Z > 92) в природе пока не обнаружены.
    На рис.3 также показана рассчитанная теоретиками нейтронная и протонная линия стабильности. Ядра, перегруженные нейтронами (нейтроноизбыточные) или протонами (протоноизбыточные), расположенные за линией стабильности, являются несвязанными ядрами (нет баланса между кулоновскими и ядерными силами) и распадаются за время 10^-22 секунды и менее. Нахождение линии стабильности является само по себе важной и достаточно сложной задачей, так как ее положение зависит от многих параметров, определяющих свойства ядер. Радиоактивные ядра, находящиеся между линиями стабильности, а их около 7000, могут быть синтезированы только искусственно. Число еще неизвестных ядер составляет около 4000 (заштрихованные области на карте изотопов). Физикам предстоит еще много работы, чтобы приблизиться к линии стабильности особенно в области средних и больших масс ядер (N > 30). Что касается ядер легчайших элементов (изотопов водорода, гелия, лития, бериллия), то здесь граница стабильности уже достигнута, то есть синтезированы все стабильные ядра.
    Между тем даже нестабильные ядра (с отрицательной энергией связи) могут существовать в виде ядерных систем, в которых взаимодействие нуклонов приводит к появлению некоторых ядерных состояний, хотя и чрезвычайно короткоживущих (~10^-21 секунды). Исследование таких короткоживущих ядерных состояний дает важнейшую информацию о возможности дальнейшего продвижения к островкам стабильности, которые предположительно существуют в "море" нестабильности. Первый такой островок может существовать для чисто нейтронных ядер с числом нейтронов около 20. Однако в настоящее время экспериментально синтезировать такие нейтронные ядра невозможно. Пока удалось исследовать стабильность динейтрона (2n), тринейтрона (3n), тетранейтрона (4n). Они оказались нестабильными, однако динейтрон оказался "почти стабилен".
    Интригующая ситуация существует со свойствами сверхтяжелых изотопов водорода и гелия. Сначала была обнаружена так называемая "гелиевая аномалия", когда стабильность ядер с увеличением числа нейтронов при приближении к линии стабильности не уменьшалась, а даже увеличивалась (ядро ⁸Не оказалось более стабильным, чем ядро ⁶Не). Такую же зависимость обнаружили и для несвязанных изотопов гелия: гелия-5, гелия-7, гелия-9, гелия-10. В системе гелия-10 (два протона и восемь нейтронов) был обнаружен резонанс, который свидетельствовал, что это ядро не связано всего лишь на 1 мегаэлектронвольт. Впоследствии такая же аномалия наблюдалась и для тяжелых несвязанных изотопов водорода (водород-6 оказался более стабильным, чем водород-4), проявляющихся также в виде резонансных состояний. Эти закономерности в поведении энергии связи тяжелых изотопов позволили более оптимистически взглянуть на проблему существования острова стабильных легких элементов.
    Исследование свойств ядер, сильнообогащенных нейтронами, позволило обнаружить еще одно интересное явление - существование так называемых "нейтронных гало". Это явление появляется у ядер, находящихся у границы стабильности, таких, как ⁸He,¹¹Li, ¹⁴Ве, ¹⁷В. В этих ядрах было экспериментально обнаружение высокое значение нуклонного радиуса. Оказалось, что у ¹¹Li два слабосвязанных нейтрона находятся на большом удалении от основного остова, представляющего из себя ядро 9Li. Радиусы этих ядер в несколько раз превышают радиусы соседних ядер. Радиусы ядер обычно выражают в фемтометрах (Фм) (1 Фм равен 10^-13 см).Так вот, у ядра ¹¹Li радиус оказался равным 12 Фм, тогда как для ⁹Li он равен 2.5 Фм. Необычная структура этих ядер проявляется в увеличении вероятности протекания ядерных реакций с такими ядрами, поскольку она пропорциональна радиусу взаимодействующих ядер. Эта особенность ядер с гало сыграла немаловажную роль в развитии нового направления ядерной физики - физики пучков ускоренных экзотических ядер.

Назад | Вперед

Публикации с ключевыми словами: ядерная физика Публикации со словами: ядерная физика
См. также: 115-й элемент - преддверие "острова стабильности"? Водород 7H Теоретическая группа астрофизики, ядерной физики и физики частиц Базельского Университета (The Theoretical Astro-, Nuclear- and Particle Physics Group, University of Basel)