N-Z диаграмма атомных ядер

    Атомные ядра представляют собой связанные квантовые системы фермионов. Свойства атомных ядер определяются совместным действием сильного, электромагнитного и слабого взаимодействий. В настоящее время обнаружено ~ 3000 атомных ядер, представляющих собой различные сочетания чисел протонов Z и нейтронов N. По существующим оценкам число атомных ядер может составлять ~ 6500.
    Поиск новых изотопов и исследование их свойств играет ключевую роль в современной ядерной физике. Значительное продвижение в этой области связано с открытием явления радиоактивности. Пионерские работы, выполненные А. Беккерелем, супругами П. и М. Кюри, О. Ганом, Л. Мейтнер, существенно расширили наши представления об атомных ядра. Наряду со стабильными ядрами было обнаружено существование радиоактивных атомных ядер и было заполнено два недостающих места легких элементов в таблице Менделеева – технеций (Z = 43) и прометий (Z = 61), наиболее долгоживущие изотопы которых имеют периоды полураспада соответственно T_1/2=2.6·10⁶ лет и T_1/2=265 дней. Эти химические элементы имеют малое время жизни по сравнению со временем существования Земли (T = 4.5·10⁹ лет) и поэтому не были первоначально обнаружены в земных условиях. Наиболее тяжелыми стабильными ядрами являются изотопы свинца (Z = 82) и висмут (Z = 83)

N-Z диаграмма

    На рис. 1.1 показана N-Z диаграмма атомных ядер. Черными точками показаны стабильные ядра. (Для стабильных ядер характерно вполне определенное значение N/Z, определяемое равновесием ядерных и кулоновских сил в ядре) Область расположения стабильных ядер обычно называют долиной стабильности. Для ядер долины стабильности характерно следующее отношение числа нейтронов к числу протонов:

N/Z = 0.98 + 0.015·A^2/3,

где A= N + Z – массовое число.
    Легкие стабильные ядра (А < 40) имеют приблизительно равные числа нейтронов и протонов. В области более тяжелых ядер отношение числа нейтронов к числу протонов начинает возрастать и достигает величины 1.6 в районе А=250. Это изменение легко понять, если учесть короткодействующий характер ядерных сил и возрастающую роль кулоновского взаимодействия протонов с ростом А. Тяжелые ядра оказываются энергетически более устойчивыми, если содержат большее число нейтронов N по сравнению с числом протонов Z. С левой стороны от стабильных ядер находятся ядра, перегруженные протонами (протоноизбыточные ядра), справа - ядра, перегруженные нейтронами (нейтроноизбыточные ядра). Ядра, сильно перегруженные нейтронами или протонами, обычно называют экзотическими ядрами. Более темным цветом на рис.1.1 выделены атомные ядра, обнаруженные в настоящее время.

Границы нуклонной стабильности

    Пунктирная линия очерчивает область возможного существования атомных ядер. Связанное состояние ядра определяется как состояние, связанное относительно испускания нейтронов или протонов, т.е. считается, что атомное ядро существует, если оно не испускает нуклоны из основного состояния. Линия B_p = 0 (B_p - энергия отделения протона) ограничивает область существования атомных ядер слева (proton drip-line). Линия B_n = 0 (B_n - энергия отделения нейтрона) - справа (neutron drip-line). Вне этих границ атомные ядра существовать не могут, так как они распадаются за характерное ядерное время (~ 10^-23 c) с испусканием одного или нескольких нуклонов. Если среднее время жизни ядра τ < 10^-22 с, обычно считается, что ядра не существует. Характерные времена жизни для радиоактивных ядер τ > 10^-14 c. Времена жизни ядер, обусловленные испусканием нуклонов 10^-23 с < τ <10^-20 c. Ядра, имеющие такие времена жизни, обычно наблюдаются в виде резонансов в сечениях ядерных реакций. Среднее время жизни ядра и ширина резонанса Г связаны соотношением

τ = ћ/Г, τ[c] = 6.6·10^-22/Г[МэВ].

    Рассчитать границы нуклонной стабильности довольно сложно, т.к. точность, с которой оцениваются энергии связи ядер (несколько сотен кэВ), недостаточна для того, чтобы определить будет ли ядро β-радиоактивным или оно будет распадаться с испусканием нуклона. Поэтому точность предсказания границы существования атомных ядер для отдельных элементов может составлять 4-5 единиц по A. В первую очередь это относится к границе нейтронной стабильности. Кулоновское взаимодействие протонов делает невозможным существование ядер, сильно перегруженных протонами. Для легчайших ядер граница B_p = 0 проходит довольно близко от долины стабильности. Потенциальный барьер, обусловленный кулоновским взаимодействием и орбитальным моментом вылетающего из ядра нуклона, может привести к увеличению времени жизни ядерной системы и несколько сдвинуть границу существования атомных ядер.
    Увеличение заряда ядра приводит к увеличению кулоновского барьера и соответственно к увеличению периода полураспада ядра.

Рис. 1.2. Оценки зависимостей периодов полураспада ядра с испусканием одного и двух протонов от энергий распада Qp или Q2p соответственно и заряда ядра Z.

   На рис. 1.2 приведены теоретические оценки зависимостей периодов полураспада ядра с испусканием одного и двух протонов от энергий распада Q_p или Q_2p соответственно и заряда ядра Z. Линиями ограничены области от T_1/2 ~ 100 нс до T_1/2 ~ 100 мс. Увеличение времени жизни нейтроноизбыточных ядер с B_n > 0 и B_2n > 0 может происходить как из-за центробежного барьера для нейтронов, вылетающих из ядра с ненулевым орбитальным моментом, так и из-за действия правил отбора по изоспину. В результате действия этих факторов время жизни нейтрононестабильных ядер может стать гораздо больше характерного ядерного времени 10^-23 с.
    Ускорители 50-60-х годов давали в основном пучки легких ионов: протонов, дейтронов, -частиц, на которых исследовались отдельные квантовые состояния ядер с малым угловым моментом и ядерные реакции, связанные с передачей одного или двух нуклонов. Современные ускорители дали возможность изучать крупномасштабные коллективные движения, обусловленные кардинальной перестройкой ядерного вещества, - такие процессы как глубонеупругие столкновения и слияния тяжелых ионов.
    Улучшение техники ионных пучков и методов сепарации короткоживущих изотопов, образующихся в результате ядерной реакции, достигнутое за последние годы, существенно расширило число исследованных ядер, и в некоторых областях N-Z диаграммы атомных ядер обнаружены ядра, расположенные на границах нуклонной стабильности. В двух областях - (Z = 51 - 55) и (Z = 69 - 83) - была обнаружена протонная радиоактивность - испускание протонов из основного состояния ядра, что точно устанавливает границу B_p = 0. Обнаруженные в настоящее время протоноизбыточные атомные ядра практически вплотную приблизились к границе протонной стабильности. Для нейтроноизбыточных ядер ситуация существенно иная. Между линией B_n = 0 и уже обнаруженными ядрами существует большое белое пятно - область, пока не обнаруженных нейтроноизбыточных ядер.

Запаздывающие частицы

    По мере удаления от долины β-стабильности происходит увеличение энергии β-распада и уменьшение энергии отделения нуклонов. Начиная с энергий β-распада, больших, чем энергии отделения нуклонов, либо фрагментов ядра, становится возможным испускание запаздывающих частиц (см. табл. 1.1). Испускание запаздывающих частиц – двухстадийный процесс. На первой стадии происходит β-распад. При этом дочернее ядро может образовываться в возбужденном состоянии. На второй стадии происходит распад ядра из возбужденного состояния с испусканием нейтронов, протонов и более тяжелых ядер. Было обнаружено запаздывающее деление ядра.
    Частицы, испускаемые в таких процессах, называются запаздывающими, так как период полураспада, наблюдаемый путем регистрации конечных продуктов, будет определяться времнем предшествующего β-распада.

Таблица 1.1 Испускание запаздывающих частиц

Сверхтяжелые атомные ядра

    В правом верхнем углу N – Z диаграммы расположена интенсивно исследуемая в настоящее время область сверхтяжелых атомных ядер. Открытие и исследование сверхтяжелых атомных ядер с Z = 109-118 показывает, что в этой области ядер существенную роль в повышении их стабильности играют ядерные оболочки. Достаточно хорошее согласие теоретических расчетов с полученными в последнее время экспериментальными данными позволяет прогнозировать существование острова стабильности в районе Z = 110-114 и N = 178-184. Трудность проникновения на остров стабильности связана с тем, что нет комбинации соответствующих ядер, использование которых в качестве мишени и налетающей частицы позволили бы попасть в центр острова стабильности.

Образование экзотических ядер

    В лабораторных условиях получать ядра вблизи предела стабильности сложно из-за малых сечений образования этих ядер и коротких периодов полураспада. В настоящее время методы сепарации и детектирования образующихся в результате ядерных реакций экзотических ядер достигли такого совершенства, что основные характеристики атомных ядер: масса, период полураспада, основные моды распада - могут быть получены на основе анализа небольшого их числа.
    Метод сепарации на лету позволяет получать моноизотопные пучки ядер вплоть до урана независимо от их химических свойств. Появились новые экспериментальные методы изучения свойств атомных ядер - комбинации ускорителей с ионными ловушками для низкоэнергетических ионов и накопительные кольца для ионов низких и средних энергий. Существенный прогресс в изучении ядер с необычным отношением N/Z - экзотических ядер - связан с возможностью накопления высокоэнергетических вторичных пучков радиоактивных ядер и изучения реакций на этих пучках.
    До недавнего времени экспериментальные возможности для радиоактивных ядер ограничивались изучением таких их характеристик как масса, период полураспада, основные каналы распада. Пучки радиоактивных ионов с энергиями от 1 МэВ/нуклон до 1 ГэВ/нуклон дают более детальную информацию об атомных ядрах. Изучение экзотических ядер дает сведения об атомных ядрах, находящихся в экстремальных условиях. В таких ядрах меняется соотношение между кулоновским и ядерным взаимодействием, характерное для стабильных ядер, что приводит к появлению новых, необычных свойств. Выделим в качестве примера две проблемы, интенсивно исследуемые в последние годы.

Ядерная периферия

    Вопрос о свойствах ядерной периферии впервые был поставлен Вилкинсоном в 1967 году. Сохраняется ли отношение N/Z, характерное для центральной области ядра, таким же для периферии ядра или наблюдается изменение этого отношения в пользу нейтронов, или протонов? Заключение, сделанное Вилкинсоном на основе различных оценок, состояло в следующем – периферия атомных ядер обогащена нейтронами.
    Первые эксперименты не дали однозначного ответа на этот вопрос. Длительные поиски избыточных нейтронов в поверхностном слое ядер ⁴⁸Ca и ²⁰⁸Pb, расположенных в долине стабильности, оказались безрезультатными. В экспериментах с ядрами, сильно перегруженными нейтронами или протонами, впервые удалось обнаружить различие в распределении нейтронов и протонов в поверхностном слое ядра. В частности, оказалось, что в отличие от ядер, расположенных вблизи долины стабильности, в экзотических ядрах зарядовое и массовое пространственные распределения не совпадают.
    Были обнаружены гало-ядра, имеющие пространственное распределение ядерной материи, существенно превышающее обычные размеры атомных ядер R = 1.3A^1/3. Этот результат стимулировал развитие новых методов исследования ядерной периферии и для ядер долины стабильности. В экспериментах с аннигиляцией медленных антипротонов было показано, что для этой области ядер величина отношения N/Z на периферии ядра зависит от энергии связи нейтронов. Другая интенсивно исследуемая проблема – как проявляются обнаруженные для ядер долины стабильности магические числа в экзотических ядрах. В области ядер N = 20 неожиданной оказалась нестабильность дважды магического ядра ²⁸O (Z = 8, N = 20). Исследование распадных характеристик ядер вблизи ⁴⁴S дали первую информацию о существовании деформированных ядер с N = 28. Были получены ядра ⁴⁵Fe, ⁴⁹Ni с экстремальным отношением N/Z. Получено самое тяжелое дважды магическое самосопряженное ядро ¹⁰⁰Sn (Z = N = 50). Эти новые неожиданные явления, обнаруженные для экзотических ядер, приводят к новому взгляду на атомные ядра, позволяют глубже понять ядерную динамику, что делает экзотические ядра предметом приоритетных исследований.
    Исследования с экзотическими ядрами развиваются фактически по двум основным направлениям.

1. Получение, детектирование и изучение свойств ядер, удаленных от долины стабильности.
2. Получение и использование пучков радиоактивных ядер, как одного из эффективных методов изучения свойств экзотических ядер.