Вчені відкривають абсолютно нові ізотопи важких рідкоземельних елементів
Ніколи раніше не бачене співвідношення частинок, що утворюють атомні ядра, з’явилося в епохальному експерименті з фрагментацією важких елементів. Розбивши ядра платини, фізики під керівництвом Олега Тарасова з Університету штату Мічиган відкрили нові ізотопи рідкоземельних елементів тулію, ітербію та лютецію. Це досягнення, яке, на думку вчених, допоможе їм зрозуміти властивості насичених нейтронами ядер і процеси, які створюють нові елементи під час зіткнення нейтронних зірок.
Дослідники кажуть, що ця робота також демонструє потужність нещодавно завершеної установки для пучків рідкісних ізотопів Мічиганського державного університету (FRIB), яка провела свій перший експеримент у червні 2022 року. Не всі форми елемента побудовані однаково. Кожне атомне ядро складається з ряду субатомних частинок, відомих як нуклони — протонів і нейтронів. Кількість протонів є незмінною для всіх форм елемента і дає цьому елементу його атомний номер.
Кількість нейтронів, однак, може змінюватися. Ці варіації визначають так звані ізотопи елемента.
Усі елементи мають ряд ізотопів, які утворюються з різними рівнями стабільності. Деякі надзвичайно швидко розпадаються, розпадаючись на більш легкі елементи під впливом іонізуючого випромінювання. Деякі просто бовтаються в ідеальній стабільності. Розуміння різних ізотопів і того, як вони поводяться, допомагає вченим зрозуміти, як Всесвіт створює елементи, і оцінити поширеність цих елементів у просторі та часі.
Щоб створити свої нові ізотопи, Тарасов і його колеги почали з ізотопу платини зі 120 нейтронами під назвою 198 Pt. Стандартна платина має 117 нейтронів; використання більш важкого ізотопу може змінити спосіб фрагментації ядра.
Вони помістили ці атоми в FRIB, який використовує прискорювач важких іонів для фрагментації атомних ядер. Пучки рідкісних ізотопів направляються на ціль зі швидкостями, що перевищують половину швидкості світла. Коли вони потрапляють у ціль, ці ізотопи розбиваються на легші ізотопи ядер; фізики можуть потім виявляти та вивчати ці ізотопи.
Під час фрагментації 198 Pt. команда Тарасова виявила 182 Tm і 183 Tm зі 113 і 114 нейтронами відповідно; стандартний тулій має 69 нейтронів. Вони також знайшли 186 Yb і 187 Yb, зі 116 і 117 нейтронами відповідно; стандартний ітербій має 103 нейтрони. Нарешті вони знайшли 190 Lu зі 119 нейтронами; стандартний лютецій має 104 нейтрони.
Кожен із цих ізотопів був помічений під час кількох прогонів прискорювача. Дослідники кажуть, що це означає, що FRIB можна використовувати для вивчення синтезу нейтронно-збагачених ізотопів важких елементів у режимах, які до цього часу були досить знехтуваними – не через відсутність інтересу, а через здатність створювати та виявляти їх.
Це, у свою чергу, може допомогти нам зрозуміти, як бурхливі космічні події формують найважчі елементи у Всесвіті. Все, що важче за залізо у Всесвіті, може бути створено лише в екстремальних умовах, таких, як, наприклад, у наднових зірках і зіткненнях між нейтронними зірками.
Одним із процесів нуклеосинтезу, який спостерігається при зіткненнях нейтронних зірок, є процес швидкого захоплення нейтронів, або r-процес. Це відбувається, коли атомні ядра швидко закривають вільно плаваючі нейтрони, які вивільняються під час вибуху кілонової, починаючи їх перетворення у важчий елемент. Так ми отримуємо золото, стронцій, платину та інші важкі метали.
Експеримент команди, за їх словами, наближається до відтворення r-процесу. Це означає, що дуже скоро ми можемо мати в своєму розпорядженні інструмент, який зможе відтворити один із шляхів нуклеосинтезу, який спостерігається в деяких з найжорстокіших подій, які може запропонувати Всесвіт.
«Унікальні можливості FRIB, включаючи дуже інтенсивні первинні пучки з енергіями, що перевищують ті, які були доступні в Національній надпровідній циклотронній лабораторії, роблять його ідеальним об’єктом для дослідження області навколо числа нейтронів N = 126 і більше», — пишуть дослідники.
«Дослідники з FRIB можуть використовувати ці реакції для отримання, ідентифікації та вивчення властивостей нових ізотопів, сприяючи прогресу в ядерній фізиці, астрофізиці та нашому розумінню фундаментальних властивостей матерії».
