Фізики нарешті розгадали загадку ядерних магічних чисел: що це

Особливий набір чисел, відомий як магічні числа, майже 80 років становив основу досліджень у ядерній фізиці. Тепер учені з'ясували, як виникає цей набір чисел із квантового змішання ядерних частинок і сил. Дослідження опубліковано в журналі Physical Review Letters, пише New Scientist.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Магічні числа в ядерній фізиці

Майже 80 років тому фізик Марія Гепперт-Майєр довела, що якщо ядро атома хімічного елемента містить певну кількість протонів і нейтронів, то воно стає дуже стабільним. У ядерній фізиці ця кількість отримала назву магічні числа.

На сьогоднішній день магічними числами є: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Якщо в ядрі атома саме така кількість протонів або нейтронів, то воно є більш стабільним, ніж ядра атомів інших хімічних елементів. Магічні числа присутні в ізотопах, тобто різновидах одного й того самого атома одного хімічного елемента.

Існують також двічі магічні числа. Найбільш стабільними ядрами атомів є ті, в яких і число протонів, і число нейтронів є магічними. Наприклад, такими є ізотопи гелій-4 (2 протони, 2 нейтрони), кисень-16 (8 протонів, 8 нейтронів), кальцій-40 (20 протонів, 20 нейтронів) і свинець-208 (82 протони, 126 нейтронів). Останній є найстабільнішим відомим ізотопом.

Гепперт-Майєр та її сучасники пояснили магічні числа тим, що протони і нейтрони в ядрі атома займають різні енергетичні рівні, або оболонки. Тобто ці частинки ядра обертаються по орбітах, як електрони навколо ядра. Ця оболонкова модель ядра атома досі використовується для інтерпретації багатьох експериментів у ядерній фізиці. У рамках цієї моделі протони і нейтрони заповнюють оболонки ядра атома, і, щойно оболонка заповнена, значно підвищується стабільність ядра. Дана модель розглядає кожну частку в ядрі як незалежну, але сучасні квантові теорії стверджують, що частки всередині ядер атомів насправді сильно взаємодіють. Автори нового дослідження розв'язали цю суперечність і в процесі пояснили, як із цих взаємодій виникають магічні числа.

Розв'язання загадки ядерної фізики

За словами фізиків, оболонкова модель ядра атома спирається на дані експериментів і не описує деталі взаємодій між кожною частинкою. Натомість учені математично описали, як частинки взаємодіють одна з одною, як вони наближаються і скільки енергії необхідно, щоб розділити їх.

Два описи аналогічні зображенням, отриманим з низькою і високою роздільною здатністю відповідно. Фізики почали з опису високої роздільної здатності, поступово знижуючи її на кожному етапі обчислень і відстежуючи, як змінюється структура, утворена частинками в ядрі.

Фізики спостерігали зміну симетрії квантових станів частинок. Побудова графіка на основі рівнянь для цих станів призводила до появи форм з різною симетрією за різних роздільних здатностей. Ця зміна призводила до утворення структури ядра, яка була найстабільнішою, коли частинки групувалися в магічні числа. Зміна симетрії, виявлена фізиками, пов'язана з ефектами, описаними в теорії відносності Ейнштейна, таким чином, малюючи ще повнішу картину того, як магічні числа об'єднують різні аспекти ядерної фізики.

Наразі автори дослідження перевірили свої теоретичні припущення на ізотопі олова — олово-132, ядро якого є двічі магічним, адже містить 50 протонів і 82 нейтрони, а також на кількох додаткових ядрах атомів.

Як уже писав Фокус, у фізиків є теорії щодо того, яку форму має наш Всесвіт.

Також Фокус писав про те, що вчені з'ясували, чому ми не виявили сигналів інопланетян, якщо вони давно досягли Землі.