Фізики розгадали 20-річну ядерну загадку створення золота
Учені з'ясували, як нестабільні атомні ядра розпадаються в процесі швидкого захоплення нейтронів, відповідального за утворення таких хімічних елементів, як золото і платина.
Золото та інші важкі елементи утворюються внаслідок вибухів і зіткнень зірок, але вчені досі не можуть зрозуміти всі етапи, які призводять до їхнього створення. Тепер фізики з Університету штату Теннессі зробили три відкриття про те, як нестабільні атомні ядра розпадаються в процесі швидкого захоплення нейтронів, що відповідальне за утворення золота та платини. Золото не може утворитися, поки не розпадуться певні нестабільні атомні ядра. Нові відкриття прояснюють важливі аспекти цього процесу, пише ScienceDaily.
У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!
Важкі хімічні елементи, такі як золото і платина, утворюються в незвичайних умовах, зокрема під час вибуху або зіткнення зірок. Ці події запускають процес швидкого захоплення нейтронів або r-процес. Під час цього процесу атомне ядро швидко поглинає нейтрони. У міру того, як ядро стає важчим і нестабільнішим, воно в кінцевому підсумку розпадається на легші та стабільніші форми.
У цьому процесі часто зустрічається бета-розпад атомного ядра з подальшим вивільненням двох нейтронів. Атомні ядра, що беруть участь у цих реакціях, надзвичайно рідкісні та нестабільні, що ускладнює їх безпосереднє вивчення в експериментах. Через це вчені значною мірою покладаються на теоретичні моделі, які необхідно перевіряти.
Експеримент у ЦЕРНі
Фізики використовували Станцію вимірювання розпаду ізотопів ISOLDE в ЦЕРН для проведення свого дослідження, де були отримані численні ядра ізотопу індій-134. Під час розпаду індію-134 утворюються збуджені форми ізотопів олово-134, олово-133 і олово-132.
Використовуючи нейтронний детектор, фізики зробили три важливих відкриття. Найбільш значущим результатом стало перше вимірювання енергії нейтронів, пов'язаних із бета-затримкою виходу двох нейтронів.
Бета-затримка виходу двох нейтронів відбувається тільки в екзотичних атомних ядрах, які нестабільні й існують лише протягом дуже короткого часу. Енергія, необхідна для відокремлення двох нейтронів від ядра, надзвичайно мала, але в цьому експерименті вона виявилася досить великою для вимірювання.
Це дослідження знаменує собою перше докладне вивчення виходу двох нейтронів з атомного ядра в r-процесі. Результати надають цінну інформацію для поліпшення моделей, що описують, як зоряні події створюють важкі елементи, такі як золото.
Новий нейтронний стан
Другим важливим відкриттям фізиків стало перше спостереження давно передбаченого одночастинкового нейтронного стану в ізотопі олово-133. За словами вчених, атомне ядро від самого початку перебуває у збудженому стані і має вивільнити енергію для стабілізації.
"Олово перебуває у збудженому стані. Воно може випустити один нейтрон або, за достатньої енергії, два нейтрони. Воно завжди має випускати два нейтрони, але цього не відбувається", — пояснюють учені.
Традиційно фізики вважали, що ядро олова випускає нейтрони, фактично втрачаючи будь-які сліди більш раннього бета-розпаду. У цьому сценарії ядро поводиться як "ядро-амнезія", не пам'ятаючи, як воно утворилося. Але виявилося, що "пам'ять" не стирається.
Удосконалені нейтронні детектори дозволили фізикам виявити невловимий ядерний стан олова. Спостереження показує, що наявні теоретичні пояснення неповні, і вченим необхідна складніша модель, щоб пояснити, чому під час одних розпадів випускається один нейтрон, а під час інших — два. Фізики кажуть, що цей стан вчені шукали 20 років і нарешті його побачили.
Виявлений стан являє собою проміжну стадію в послідовності виходу двох нейтронів з атомного ядра.
Третє відкриття кидає виклик існуючим моделям
Фізики також спостерігали нестатичне заселення ідентифікованого стану. Простіше кажучи, спосіб заселення цього стану під час розпаду не відповідає закономірностям, які зазвичай очікують вчені.
Фізики пояснили, що середовище розпаду в цьому експерименті відносно чисте. Ядерні стани розділені, а не згруповані разом.
Результати показують, що в міру того, як фізики досліджують області ядерного ландшафту, дедалі далі від стабільності, особливо серед екзотичних ядер, наявні моделі можуть перестати бути застосовними. Ймовірно, будуть потрібні нові теоретичні підходи для опису цих екстремальних систем, які відіграють важливу роль у створенні важких хімічних елементів, таких як золото.
Як уже писав Фокус, золото створюється під час зіткнення зірок і вчені з NASA показали, як саме воно відбувається.