В Центре изучения тяжёлых ионов им. Гельмгольца в Дармштадте (Германия) проведено успешное прямое измерение силы оболочечных эффектов в сверхтяжёлых элементах.

Результаты, полученные международной научной группой, дают представление о внутриядерном строении сверхтяжёлых элементов, обещая наконец-то обеспечить более точные предсказания, касающиеся расположения и продолжительности так называемого островка стабильности.

Рис. 1. Учёные у ионной ловушки SHIPTRAP (фото G. Otto / GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung).

Сверхтяжёлые элементы обязаны своим существованием только оболочечным эффектам внутри атомных ядер, без которых их дезинтеграция должна была бы протекать за ничтожные доли секунды ввиду сильнейшего отталкивания огромного числа составляющих ядро протонов. Однако природа позволила обоим типам нуклонов, протонам и нейтронам, самоорганизовываться в оболочки-слои. Как и в случае с заполненными электронными оболочками атома, существуют магические конфигурации с до конца заполненными оболочками протонов и нейтронов, обеспечивающие существование более устойчивого ядра атома.

Довольно давно было выдвинуто теоретическое предположение о существовании особого «островка стабильности», организованного чрезвычайно устойчивыми и, как следствие, долгоживущими сверхтяжёлыми элементами с заполненными оболочками нейтронов и протонов. Однако даже после десятилетий исследований точное «расположение» этого островка в таблице элементов остаётся предметом интенсивных дискуссий без намёка на согласие. В то время как одни теоретические модели предсказывают, что магическим элементарным номером станет 114-й, другие теории менее оптимистично указывают на 120-й или даже на 126-й элемент. Другой разжигающий полемику вопрос — проблема возможной продолжительности жизни таких элементов: будут это «только» сотни или тысячи — либо миллионы лет. В любом случае все известные на сегодня сверхтяжёлые элементы являются короткоживущими и в природе не встречаются.

Рис. 2. Синий цвет — сила стабилизации оболочечными эффектами; красный — изотопы, изученные в исследовании; жёлтый/зелёный — изотопы, массы которых были исправлены на основании полученных результатов; оранжевый — заполненные оболочки. (Илл. AAAS).

Важнейшим основанием для любых предсказаний, связанных с островком стабильности, считается точная информация о силе оболочечных эффектов, которые увеличивают энергию связывания протонов и нейтронов в заполненных оболочках. Поскольку энергия связи напрямую связана с массой через каноническое уравнение Эйнштейна (Е = mc²), измеряемый вес ядра даёт доступ к энергии связывания и, как следствие, к силе оболочечных эффектов. Используя самый передовой инструмент для измерения веса сверхтяжёлых элементов — ионную ловушку SHIPTRAP, учёные впервые провели предельно точное «взвешивание» сверхтяжёлых атомных ядер в районе магического нейтронного числа 152.

Исследование фокусировалось на 102-м и 103-м элементах, которые предварительно синтезировались на ускорителе, а затем захватывались ионной ловушкой. Так, например, было получено около 50 атомов лоуренсия-256, которые изучались в течение 93 часов.

Авторы работы полагают, что полученные ими данные помогут построить наиболее точную модель для предсказания местоположения и продолжительности острова стабильности сверхтяжёлых элементов. Свои изыскания они описали в журнале Science.