Стабильность атомных ядер варьирует невероятно широко. Некоторые изотопы, например, свинец-208 и кальций-40, существуют с момента образования Земли и, вероятно, переживут конец времен. Другие, такие как оганесон-294 и теннессин-294, исчезают меньше чем за мгновение — их период полураспада составляет всего 0,89 и 0,80 миллисекунды соответственно. В 1940−50-х годах ученые заметили удивительную закономерность: определенные количества протонов и нейтронов приводят к необычайно стабильным ядрам. Эти значения получили название магических чисел.
«Магические числа — это 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126», — объясняет Дэвид Дженкинс, физик-ядерщик из Йоркского университета в Великобритании. «Если взять самое легкое — два протона и два нейтрона — это ядро атома гелия, и мы знаем, что это очень стабильная комбинация протонов и нейтронов».
Ядра гелия — их еще называют альфа-частицы, — спонтанно испускаются более тяжелыми нестабильными атомами при радиоактивном распаде. «Если подумать, это очень странно», — говорит Дженкинс. «Если атом собирается распадаться, почему он не теряет протоны или нейтроны по одному? Причина в том, что альфа-частица очень стабильна, и это связано с законом магических чисел».
Также к «магическим» ядрам относятся кислород-16 (8 протонов и 8 нейтронов), кальций-40 (20 протонов и 20 нейтронов) и свинец-208 (82 протона и 126 нейтронов) — это самый тяжелый среди известных на сегодняшний день, стабильный элемент.
Чтобы объяснить эти наблюдения, физики предложили модель ядерных оболочек, проводя параллели с электронными оболочками, которые объясняют химическое поведение атомов. «Идея заключалась в том, что протоны и нейтроны располагаются в оболочках, подобно электронам в атоме, а ядерные возбуждения связаны с перескоками протонов и нейтронов между этими оболочками», — поясняет Дженкинс.
Как и электронные, ядерные оболочки имеют фиксированные энергетические уровни, и система наиболее стабильна, когда эти оболочки полностью заполнены. Считается, что сильное взаимодействие — фундаментальная сила, удерживающая протоны и нейтроны вместе — оказывается выше ожидаемого в расчете на частицу в заполненных оболочках.
Магические числа — это просто количества частиц, необходимые для заполнения каждой из этих ядерных оболочек. Изотопы могут быть «одиночно магическими» с магическим числом либо протонов, либо нейтронов (например, железо-56), или «дважды магическими», когда количество и протонов, и нейтронов соответствует магическим числам (как кислород-16 и свинец-208).
«Дважды магические системы имеют сферическое распределение материи и заряда — то есть, у них совершенно круглое ядро», — отмечает Дженкинс. «Большинство ядер деформированы и вращаются. У них совершенно другая структура».
Тем не менее, пределы «магии» пока что остаются для ученых неясными. Некоторые тяжелые ядра, например, олово‑100, которое является дважды магическим, живут всего 1,2 секунды. А существование потенциального «следующего магического элемента» после свинца пока и вовсе не подтверждено. Будет ли магическая стабильность достаточной для создания новых сверхтяжелых элементов? Ученым еще только предстоит проверить это.
Ранее ученые разработали ядерные часы, которые помогут найти темную материю.