Физики из Дубны выяснили, почему сверхтяжелые ядра распадаются по-разному

Ученые из Объединенного института ядерных исследований предложили единую модель, которая описывает сразу три вида распада тяжелых и сверхтяжелых ядер: альфа-распад, кластерную радиоактивность и спонтанное деление. Раньше эти процессы обычно рассматривали по отдельности, хотя все они связаны с тем, что материнское ядро так или иначе разделяется на две части. Новая работа показывает, что их можно описать общей рамкой, используя два коллективных параметра — зарядовую асимметрию и расстояние между центрами будущих фрагментов.

В основе подхода лежит идея, что основное состояние тяжелого ядра можно рассматривать как своеобразную сумму «моноконфигурации» и небольших вкладов двойных ядерных систем, то есть пар кластеров. Распад тогда делится на два этапа. Сначала в ядре с некоторой вероятностью должна сформироваться подходящая пара фрагментов. Затем эта пара должна разлететься, преодолев потенциальный барьер. Для альфа-распада ключевую роль играет вторая стадия — проницаемость барьера. Для кластерной радиоактивности важны обе стадии. А для спонтанного деления барьер по расстоянию между фрагментами часто уже отсутствует, поэтому время жизни в основном определяется вероятностью формирования нужной делящейся конфигурации.

Модель проверили на изотопах урана, плутония, кюрия, калифорния, фермия, нобелия, резерфордия, сиборгия и хассия. Расчеты воспроизвели экспериментальные периоды полураспада, которые могут различаться на десятки порядков. Это важно не только для понимания фундаментальных процессов в ядрах, но и для практики: теоретические предсказания помогают планировать эксперименты по синтезу новых изотопов и правильнее идентифицировать сверхтяжелые элементы, которые живут доли секунды или того меньше.

Отдельное внимание авторы уделили изотопическим зависимостям. Модель объясняет известную повышенную стабильность изотопов фермия и нобелия с числом нейтронов N = 152, а также то, почему у более тяжелых резерфордия и сиборгия этот эффект выражен слабее. Кроме того, расчеты предсказывают особенности стабильности вблизи N = 162 для альфа-распада и N = 164 для спонтанного деления. Такие результаты полезны для поиска наиболее долгоживущих сверхтяжелых ядер и для понимания того, где может заканчиваться область их существования.

В работе впервые выполнены расчеты периодов полураспада спонтанного деления из K-изомерных состояний актинидов и сверхтяжелых ядер. K-изомеры — это долгоживущие возбужденные состояния ядер, которые могут жить заметно дольше основного состояния. Оказалось, что их распад зависит от конкуренции двух факторов: роста спина, который обычно затрудняет деление, и энергии изомера, которая может, наоборот, облегчить распад. Для четно-нечетных ядер авторы объяснили природу фактора запрета спонтанного деления: он связан не только с массой или энергией, но и со спином ядра, который через вращательный потенциал меняет высоту барьера. Наибольший вклад в этот эффект дает конфигурация, содержащая альфа-частицу.

Еще один практический результат — метод извлечения спина ядра из экспериментальных цепочек альфа-распада. По величине задержки спонтанного деления можно оценить спин состояния, а затем проверить и дополнить схему распада. Авторы применили этот подход к экспериментальным цепочкам распада изотопов дармштадтия 273Ds и 275Ds. Это показывает, что модель может быть полезна не только для расчетов периодов полураспада, но и для восстановления структуры уровней новых ядер.

В целом работа предлагает более общий взгляд на три канала распада, которые долго считались разными задачами. Она объясняет, почему одни ядра распадаются быстрее, другие медленнее, как на это влияют нейтронное число, заряд, спин и изомерные состояния, и дает инструмент для предсказаний в области, где экспериментальные данные получить крайне сложно. Для обычного читателя главное здесь такое: физики сделали шаг к более единому пониманию того, как распадаются самые тяжелые ядра, а это помогает искать новые элементы, разбираться в их стабильности и лучше планировать дорогостоящие эксперименты.

Исследование опубликовано в журнале «Физика элементарных частиц и атомного ядра«

Изображение на обложке: разработано Magnific