Что на самом деле происходит внутри атома? Форма ядра свинца оказалась не шарообразной

Наука и Техника

Что мы знаем о форме атомных ядер? Большинство из нас, вероятно, представит себе крошечный, идеально круглый шарик. И это вполне логично: долгие годы именно такая модель считалась общепринятой. Но наука не стоит на месте, и недавнее открытие международной группы ученых перевернуло наши представления о, казалось бы, незыблемых вещах. Речь идет о ядре свинца-208 — элемента, который, благодаря своей «дважды магической» природе, отличается исключительной стабильностью.

Иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Что же такого «магического» в свинце-208?

Дело в том, что и протоны, и нейтроны в его ядре заполняют определенные энергетические уровни, словно места в уютном «многоквартирном доме». Когда все «квартиры» заняты, ядро становится особенно устойчивым. Свинец-208 — самый тяжелый известный элемент с такой «идеальной заселенностью». До сих пор считалось, что и форма у него соответствующая — идеально сферическая. Но, как выяснилось, не всё так просто.

Регби в микромире: сенсационное открытие

Группа исследователей, возглавляемая доктором Джеком Хендерсоном из Университета Суррея, вооружилась самым чувствительным оборудованием, чтобы «заглянуть» внутрь ядра свинца-208. И то, что они увидели, стало настоящей сенсацией. Вместо ожидаемого «шарика» ученые обнаружили вытянутую структуру, больше похожую на мяч для регби или, если хотите, на крошечную дыню.

«Мы были поражены, — признается доктор Хендерсон. — Это открытие ставит под сомнение результаты работы наших коллег-теоретиков и открывает совершенно новые горизонты для исследований».

Средние значения (точки) и доверительные области, соответствующие 1 σ (сплошные линии) и 2 σ (пунктирные линии) для элементов матриц ⟨ 0 1 + | E 3 | 3 1 — ⟩ и ⟨ 3 1 — | E 2 | 3 1 — ⟩ (сверху), и ⟨ 0 1 + | E 2 | 2 1 + ⟩ и ⟨ 2 1 + | E 2 | 2 1 + ⟩ матричные элементы (внизу). Все данные были ограничены известной B ( E 3; 3 1 — → 0 1 + ) = 33,8 ( 6 ) W. u. [19]. Пределы показаны для случая, когда B ( E 2; 2 1 + → 0 1 + ) = 8,3 ( 5 ) Вт. у. была (красная) и не была (черная) включена в качестве ограничения при минимизации. Также показаны полосы, соответствующие ограничениям 1 σ на литературные значения для элементов матрицы ⟨ 3 1 — | E 2 | 3 1 — ⟩, ⟨ 0 1 + | E 2 | 2 1 + ⟩, и ⟨ 2 1 + | E 2 | 2 1 + ⟩. Пунктирной линией показан предел осевого ротора для матричного элемента ⟨ 2 1 + | E 2 | 2 1 + ⟩ как функция ⟨ 0 1 + | E 2 | 2 1 + ⟩. Цитирование: J. Henderson et al. Phys. Rev. Lett. 134, 062502 DOI: doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.062502
Автор: J. Henderson et al. Источник: journals.aps.org

Как удалось «разглядеть» форму ядра?

Задача, прямо скажем, не из легких. Ведь речь идет об объектах, размеры которых в миллиарды раз меньше миллиметра! Ученым пришлось прибегнуть к хитроумному эксперименту. В Аргоннской национальной лаборатории (США) атомы свинца «обстреливали» пучками частиц, разогнанными до невероятных скоростей — около 10% скорости света! При столкновении ядра свинца-208 «возбуждались», то есть получали дополнительную энергию, и испускали гамма-лучи. Эти лучи, словно уникальный «штрих-код», несли в себе информацию о свойствах ядра, в том числе и о его форме. Расшифровать этот «код» помог сверхчувствительный гамма-спектрометр GRETINA.

Поверхности полной энергии для спроецированных по угловому моменту (a) 0 +, (b) 2 +, и © 3 — состояний в Pb 208, рассчитанные с помощью метода SCCM, описанного в тексте. Коллективные волновые функции для 0 1 +, 2 1 +, и 3 1 — состояний показаны в (d), (e), и (f), соответственно. Цитирование: J. Henderson et al. Phys. Rev. Lett. 134, 062502 DOI: doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.062502
Автор: J. Henderson et al. Источник: journals.aps.org

Теория дает трещину?

Результаты эксперимента стали настоящим вызовом для физиков-теоретиков. Ведь существующие модели атомного ядра предсказывали совсем другую картину. «Эксперименты показали, что структура ядра гораздо сложнее, чем мы думали», — отмечает профессор Пол Стивенсон, ведущий теоретик проекта. — «Возможно, колебания ядра свинца-208 при возбуждении не такие регулярные, как мы предполагали. Нам предстоит большая работа по совершенствованию наших теорий».

Что дальше?

Открытие, сделанное учеными, — это не просто констатация факта. Оно открывает новые пути для исследований в самых разных областях, от ядерной физики и астрофизики до квантовой механики. Понимание того, как устроены атомные ядра, и как они себя ведут, имеет фундаментальное значение для науки. Ведь именно из ядер состоит вся материя вокруг нас, включая нас самих. И, кто знает, возможно, именно «неправильная» форма ядра свинца-208 поможет нам разгадать еще одну тайну Вселенной. А вы знали, что стабильность атомных ядер играет ключевую роль в процессах формирования тяжелых элементов в недрах звезд? Похоже, нам предстоит еще многое узнать об устройстве окружающего мира.