Впервые удалось прямо измерить массу элемента тяжелее урана — новый метод открывает путь к давно предсказанному «острову стабильности» устойчивых сверхтяжелых элементов, лежащему за пределами привычной Таблицы Менделеева.

Ядро урана включает 92 протона, это — самый тяжелый из известных нам элементов, встречающихся в природе. В искусственных условиях, конечно, синтезированы и более тяжелые, вплоть до 118-ти протонов. Большинство этих «тяжеловесов» крайне короткоживущи и распадаются за считаные миллисекунды.

Но еще в середине ХХ в. была теоретически предсказана возможность существования сверхтяжелых элементов, содержащих определенное соотношение протонов и нейтронов и имеющих срок жизни куда более долгий. С тех пор путь к этому «острову стабильности» стал одним из важнейших направлений ядерной физики (об этих поисках мы писали в заметке «Магелланы завтрашнего дня»). И вовсе не из чисто академического интереса. Сверхтяжелые стабильные элементы могли бы послужить отличным топливом для ядерных двигателей будущих космических миссий.

Однако до сих пор никто в точности не знает, где же мы должны наткнуться на этот остров. Одни расчеты показывают, что где-то в области с центром в 114 протонов на ядро, другие — между 120-ю и 126-ю протонами. Вычисления затрудняются тем, что ученые не имеют точного представления о том, как действуют сильные и слабые силы в «перенаселенных» ядрах таких элементов, удерживая их протоны и нейтроны вместе. Краткость существования полученных в лаборатории сверхтяжелых элементов не позволяет собрать достаточно экспериментальных данных.

Новый прорыв в этой области обещает недавняя работа международной команды ученых во главе с Майклом Блоком (Michael Block) из Гельмгольцевского центра по исследованию тяжелых ионов (GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research) в Дармштадте, которым удалось найти способ прямого измерения массы ядер тяжелее урана. А поскольку масса и энергия связаны знаменитой эйнштейновской формулой E = mc2, определение массы ядра позволяет (при учете дополнительных факторов) вычислить и энергию сил связи нейтронов и протонов в ядре.

Для измерения массы атома ученые воспользовались устройством, которое называется ловушкой Пеннинга, где, упрощенно говоря, ионы удерживаются электромагнитным полем. Объектом измерений послужил нобелий, ядро которого включает 102 протона — на 10 больше, чем у урана. Как и прочие «искусственные» элементы, он получается столкновением нескольких более легких элементов и является короткоживущим (период полураспада его самого долгоживущего изотопа составляет 58 минут). Главной задачей, которую удалось решить немецким физикам, было найти способ замедлить ионы перед тем, как они попадут в ловушку, для чего ученые пропускали их предварительно через камеру, заполненную гелием.

Теперь, обладая методом, позволяющим «взвешивать» сверхтяжелые короткоживущие атомы, экспериментаторы могут точнее установить их параметры. А теоретики на базе этих данных — выбрать между конкурирующими моделями, предсказывающими положение «острова стабильности».

Метод позволяет двинуться существенно дальше по Периодической таблице, хотя на практике воспользоваться им для наиболее тяжелых из полученных элементов может быть не очень просто. Хотя бы потому, что синтез подобных великанов — уже сам по себе крайне непростой процесс.

Но если все пойдет хорошо, рано или поздно этот метод позволит заметить и обитателей «острова стабильности». Поскольку такие сверхтяжелые элементы обычно обнаруживаются по продуктам распада, а стабильные имеют слишком долгий период жизни, традиционные методы работы с атомами-тяжеловесами для этого не годятся.

Читайте также о том, как ученые узнают массу объектов, находящихся на совершенно другой стороне шкалы — сверхмассивных черных дыр: «Как взвесить невзвешиваемое».

По публикации New Scientist