Фізики з США і Великобританії вперше експериментально виміряли період напіврозпаду ядра телура-104 на ядро олова-100 і альфа частинку, який склав приблизно 18 наносекунд. Це найшвидший альфа-розпад, який спостерігався на практиці. Крім того, вимірювання вчених підтверджують теоретичні розрахунки, виконані в рамках оболонкової моделі ядра. Стаття опублікована в, коротко про неї повідомляє, препринт роботи викладено на сайті arXiv.org.
У 1899 році Ернест Резерфорд виявив, що ядра радіоактивних елементів випускають заряджені альфа-частинки - ядра гелію-4, повністю позбавлені електронів. Кілька років пізніше Ханс Гейгер і Джон Неттолл з'ясували, що енергія таких частинок пов'язана з часом напіврозпаду і атомним номером ядра досить простим законом. Пояснити цей закон вдалося тільки в 1928 році, коли була побудована Квантова механіка. Згідно з теорією, розробленою Георгієм Гамовим, альфа-розпад відбувається за наступним сценарієм. Спочатку протони і нейтрони об'єднуються в альфа-частинку всередині ядра, але не можуть покинути його через високий потенційний бар'єр, який створюють ядерні та кулонівські сили. Тим не менш, з дуже маленькою ймовірністю частинка може протунелювати крізь цей бар'єр. Як тільки частинка опиниться за межами бар'єру, вона відштовхується від ядра (обидві частинки заряджені позитивно) і відлітає на нескінченність - відбувається розпад. Ймовірність розпаду тим менша, чим менша енергія частинки і чим більша ширина і висота бар'єру. Якщо нуклонів в ядрі багато, бар'єр виходить вище, ймовірність протунелювати менше, і час напіврозпаду збільшується.
Втім, у цих міркуваннях є одне тонке місце. Щоб розрахувати ймовірність розпаду, потрібно перемножити ймовірність утворення альфа-частинки всередині ядра і ймовірність її тунелювання крізь потенційний бар'єр. Другу ймовірність досить легко обчислити, знаючи форму потенційного бар'єру. Розрахувати першу ймовірність набагато складніше: для цього потрібно знайти хвильові функції системи до і після утворення альфа-частинки, а потім оцінити ступінь їх перекриття. Для таких оцінок найзручніше використовувати оболонкову модель ядра, в якій нуклони послідовно заповнюють енергетичні рівні (оболонки), що виникають в загальному потенціалі. На жаль, навіть після таких спрощень теоретично розрахувати ймовірність утворення альфа-частинки дуже складно.
Проте, розрахунки значно спрощуються, якщо число протонів і нуклонів ядра близько до «магічних числів», при яких оболонки ядра практично повністю заповнені. У цьому випадку ядро можна розбити на дві частини - основний масив нуклонів, зібраних у щільну кульку, і кілька нуклонів, які обертаються навколо нього і легко відриваються, перетворюючись на альфа-частинку. Раніше такі розрахунки для ядра полонію-212, яке розпадається до «двічі магічного» ядра свинцю-208 (82 протони, 126 нейтронів), виконала група вчених під керівництвом Кальмана Варга (Kalman Varga). Їх результат добре збігався з експериментально виміряною ймовірністю, а тому його можна вважати «перевіркою» існуючої теорії альфа-розпаду.
Група вчених під керівництвом Даріуша Севериняка (Dariusz Seweryniak) повторила цю «перевірку», замінивши ядро полонію-212 на ядро телура-104, яке розпадається до іншого «двічі магічного» ядра - олова-100 (50 протонів, 50 нейтронів). На жаль, телур-104 розпадається занадто швидко, щоб цей процес можна було дослідити безпосередньо - очікуваний період напіврозпаду ядра становить всього кілька наносекунд, що приблизно в сто разів менше, ніж час прольоту ізотопів через сепаратор. Тому фізики вивчали розпад ксенону-108, які народжується при зіткненні ядер заліза-54 і нікелю-58, а потім послідовно перетворюється на телур-104 і олово-100, випромінюючи дві альфа-частинки. Спостерігаючи за розпадами ядер за допомогою кремнієвих детекторів, дослідники виміряли енергію, напрямок руху і час реєстрації цих частинок. Нарешті, фізики відновили процеси і розрахували періоди напіврозпаду частинок, «підганяючи» параметри реакцій так, щоб вони найкраще пояснювали спостережувані дані.
У результаті вчені виявили, що період напіврозпаду ядра телура-104 становить приблизно 18 наносекунд - це найвища швидкість альфа-розпаду, яка спостерігалася на практиці. Іншими словами, ймовірність утворення альфа-частинки всередині ядра, яка щонайменше в п'ять разів більша, ніж ймовірність аналогічного процесу в полонії-212. Це добре узгоджується з розрахунками ймовірності в рамках оболонкової моделі, яка пророкує п'ятикратне посилення ймовірності. У той же час, розрахунки в рамках оболонкової моделі з компле ́ ксною енергією пророкують набагато менше посилення. Автори статті вважають, що розбіжність може вказувати на важливу роль протон-нейтронних взаємодій, якими не враховувалися в цій моделі.
Хоча оболонкова модель коректно описує формування атомного ядра і дозволяє розрахувати кілька перших «магічних чисел», воно добре працює для порівняно легких елементів. Наприклад, у лютому цього року фізики з Нової Зеландії, Норвегії та США показали, що ядерні та електронні оболонки атоми Оганессона (118 елемента) розмиваються і переходять у стан фермі-газу. Оскільки період напіврозпаду цього елемента становить менше однієї мілісекунди, вчені не могли досліджувати ці властивості безпосередньо, але вивчали його за допомогою чисельного моделювання. Крім того, в серпні 2018 група CLAS підтвердила, що в ядрах важких ізотопів з надлишковим числом нейтронів існують короткодіючі кореляції між протонами і нейтронами. Через такі кореляції, які не можна пояснити в рамках оболонкової моделі, в ядрі утворюються пов'язані нейтрон-протонні пари, які при бомбардуванні ядра електронами перетворюються на надшвидкі нуклони.
Перевірити, наскільки точно ви можете оцінити тривалість різних фізичних процесів, можна в нашому тесті «Тік або так».