Остров стабильности: природа, теоретические основания и экспериментальные исследования
В рамках ядерной физики под островом стабильности понимается гипотетическая область на диаграмме ядер, где расположены сверхтяжёлые элементы с особыми значениями числа протонов (Z) и нейтронов (N), обладающие существенно большей стабильностью по сравнению с окружающими их нуклидами. Эти стабильные или относительно стабильные ядра должны существовать среди области крайне нестабильных сверхтяжёлых элементов, известных своими короткими временами жизни. Основная идея концепции основана на влиянии ядерных магических чисел, соответствующих заполнению энергетических оболочек в протонной и нейтронной подсистемах.
Ядра демонстрируют особую стабильность при наличии полного заполнения оболочек. Такие значения числа протонов или нейтронов называют магическими: 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126. Оболочечная модель, предложенная М.Г. Майером и Ю. Хаксель (1949), предсказывает повышение энергии связи и уменьшение вероятности распада вблизи этих чисел. Для сверхтяжёлых элементов предсказано существование новых магических чисел — как нейтронных, так и протонных. Наиболее часто упоминаемые кандидаты:
Расположение этих значений формирует область потенциальной относительной стабильности — так называемый «остров».
Ядра в области сверхтяжёлых элементов испытывают конкуренцию между двумя доминирующими факторами:
Для сверхтяжёлых ядер характерно доминирование кулоновских сил, что влечёт за собой тенденцию к быстрым спонтанным распадам: делению или α-распаду. Однако если число протонов и нейтронов приближается к магическим, энергия связи на нуклон может достигать локального максимума, что существенно увеличивает время жизни ядра. Это приводит к появлению локального минимума энергии системы — острова стабильности.
Различные подходы позволяют оценивать стабильность и предсказывать свойства гипотетических ядер в области острова стабильности.
Сочетает:
Метод Струтинского позволяет предсказывать значительный вклад оболочечных эффектов к устойчивости ядер, особенно при Z ≈ 114 и N ≈ 184.
Использует лагранжианы с калиброванными параметрами и позволяет описывать свойства плотности, энергии связи, радиусов и распределения нуклонов. Предсказывает, например, стабильность ядер с Z = 120 и N = 184 на временных масштабах в миллисекунды и более.
Основаны на вариационном принципе для эффективных взаимодействий (например, Skyrme, Gogny). Эти методы позволяют анализировать деформацию, плотность и корреляции парных взаимодействий, существенно влияющих на α-распад и вероятность спонтанного деления.
С 1990-х годов активно развиваются эксперименты по синтезу ядер вблизи острова стабильности. Применяются два основных типа реакций:
Наиболее значимые результаты:
Однако ни одно из синтезированных ядер не имело нейтронного числа N = 184. Наиболее изученные изотопы обладают N ≈ 173–177, а их времена жизни варьируются от микросекунд до нескольких секунд.
Наиболее вероятные каналы распада:
Пока не удалось синтезировать ядра с нейтронным числом, близким к N = 184. Это связано с тем, что доступные мишени и проектильные ядра не позволяют эффективно наращивать число нейтронов без значительного увеличения энергии возбуждения, что ведёт к распаду.
Разные модели дают различные значения магических чисел. Например:
Наличие деформаций, корреляций и коллективных эффектов ещё более усложняет картину.
Современные ускорители и детекторы достигли предела чувствительности. Вероятности образования искомых ядер чрезвычайно малы (сечения порядка фемтобар), а фон и нестабильность мешают регистрации цепочек распадов.
Открытие новых элементов, более богатых нейтронами, возможно при переходе к новым технологиям:
Параллельно важно улучшать теоретические модели, включая квантовые подходы с учётом сверхтекучести, коллективных мод и нелинейных эффектов в ядерной материи.
Согласно различным оценкам, наиболее вероятные ядра, относящиеся к острову стабильности:
Эти ядра пока не получены, но остаются целью будущих исследований.
Концепция острова стабильности играет ключевую роль в:
Таким образом, исследование острова стабильности представляет собой не только одну из самых интересных и трудных задач современной ядерной физики, но и важнейшее направление в изучении пределов существования материи.