Наука и образование

Обнаружение ярко выраженного чередования форм ядра изотопов висмута вблизи атомной массы 188

Ученые НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ обнаружили эффект чередования форм у нейтронно-дефицитных изотопов висмута. Это всего лишь второй пример подобного необычного поведения формы ядер, причем обнаружение аналогичного эффекта в ядрах ртути более 40 лет назад было признано одним из наиболее ярких открытий в ядерной физике за последние полвека.

Соответствующая работа «Неожиданный эффект чередования форм нейтронно-дефицитных ядер висмута» (коллектив авторов от НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ – А.Е. Барзах, П.Л. Молканов, М.Д. Селиверстов, Д.В. Федоров, В.Н. Пантелеев, А.В. Олейниченко, Л.В. Скрипников, Д.Е. Мейсон, А.В. Зайцевский) получила вторую премию в области ядерной физики низких энергий в конкурсе научных работ Института за 2022 год.

Давно известно, что форма ядра меняется в зависимости от числа протонов (Z) и нейтронов (N) в ядре. Если вблизи магических чисел (например, Z= 82, N= 126) сохраняется сферическая форма, то при удалении от замкнутых оболочек в игру вступают коллективные эффекты, и ядру становится энергетически выгоднее принять форму диска (отрицательная деформация) или (чаще) форму мяча для игры в регби (положительная деформация). Для характеристики деформации используется параметр β, приблизительно равный отношению разности полуосей эллипсоида ядра к половине их суммы. Непосредственно измерить деформацию нельзя, однако существует ряд наблюдаемых данных, которые позволяют количественно оценить параметр деформации (модельно зависимо). Это, прежде всего, изотопические изменения зарядовых радиусов и электрический квадрупольный момент ядра. Использование радиусов для оценки деформации основано на том, что средний квадрат радиуса деформированного ядра заметно больше среднего квадрата радиуса сферического ядра того же объема. В той же геометрической модели квадрупольный момент сильно деформированного ядра прямо пропорционален параметру β. Указанные наблюдаемые показатели измеряются методами атомной оптической спектроскопии.

Оптическая спектроскопия позволяет измерять очень небольшие изменения энергии атомных уровней (изотопические сдвиги, ИС; менее 10^-7-10^-6 в относительных единицах), обусловленные изменениями распределения заряда в ядре. Из величины изотопического сдвига для изотопа с массовым числом A извлекается изменение (по отношению к реперному изотопу с массовым числом A₀) среднего квадрата зарядового радиуса ядра (δ<r²>_{A, A0}). Кроме того, анализ сверхтонкого расщепления атомных линий (СТР), обусловленного взаимодействием магнитного дипольного (μ) и электрического квадрупольного (Q) моментов ядра с магнитным и электрическим полями, наводимыми электронной оболочкой атома, позволяет определить эти моменты.

Эксперимент проводился на установке ИЗОЛДЕ (ЦЕРН). Метод исследования — резонансная ионизация в лазерном ионном источнике — был впервые предложен и реализован в НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ в Гатчине. Этот метод обладает рекордной чувствительностью, позволяющей проводить измерения с изотопами, скорость образования которых в мишени не превышает 1 шт. за 100 сек. Такая чувствительность имеет решающее значение при исследовании экзотических ядер.

В более ранних работах (в том числе и с использованием атомной спектроскопии) были выявлены области деформации, в которых все ядра являются сильно деформированными c β ~ 0.3 (например, область редкоземельных элементов, 59<Z<71, 89<N<101). При этом переход от сферической формы к деформированной происходит либо скачкообразно (например, для ядер Sm и Au), либо плавно (ядра Yb и Po). Но внутри этих областей деформации нет отдельных ядер, которые в отличие от соседей были бы сферическими. Радикально иное поведение было обнаружено у ядер ртути: нечетно-нейтронные изотопы с N = 101, 103, 105 оказались сильно деформированными (β ~ 0.3), в то время как их четно-нейтронные соседи (N = 102, 104, 106) сохраняют форму, близкую к сферической. Соответственно, зарядовые радиусы демонстрируют характерную «пилообразную» картину: ^{181, 183, 185}Hg имеют значительно больший радиус, чем ^{180, 182, 184}Hg (см. рис.). Обнаружение этого эффекта «чередования форм» (shape staggering) в ядрах ртути признано одним из наиболее ярких открытий в ядерной физике за последние полвека. И хотя качественное объяснение данного эффекта было дано вскоре после его экспериментального обнаружения, детальное его описание продолжает оставаться вызовом для теоретической ядерной физики. При этом в течение 50-ти лет чередование форм у ядер ртути оставалось единственным для всей нуклидной карты примером подобного поведения деформации ядра.

«Спустя пятьдесят лет после этого открытия нами обнаружен второй пример подобного необычного поведения — чередование форм для нейтронно-дефицитных изотопов висмута: если ядра ^{187, 189}Bi и высокоспиновый изомер ¹⁸⁸Bi имеют форму, близкую к сферической, то основное состояние ядра ¹⁸⁸Bi — сильно деформировано, о чем свидетельствует «пилообразная» изотопическая зависимость радиусов указанных ядер, аналогичная наблюдавшейся ранее для ртути, - поясняет ведущий научный сотрудник ОФВЭ А.Е. Барзах. - Важно, что чередование форм в изотопах висмута имеет место при том же числе нейтронов, что и для ядер ртути (N = 105; см. рис.). В том же эксперименте был измерен электрический квадрупольный момент ¹⁸⁸Bi^g. Величина параметра деформации, извлекаемого из этого квадрупольного момента (β_Q = 0.25(7)), прекрасно согласуется с параметром деформации, получаемым из данных по δ<r²> (β_r = 0.28(2)), что однозначно подтверждает интерпретацию наблюдаемого эффекта».

Наряду с чередованием форм, в эксперименте подтверждено обнаруженное ранее отклонение хода радиусов для основных состояний нечетных изотопов висмута (I = 9/2, N = 108, 110) от изотопической зависимости радиусов (сферических) изотопов свинца с тем же числом нейтронов. Было впервые установлено, что это отклонение имеет место и для более легких ядер (N = 104, 106). Теоретические расчеты связывают данное явление со смешиванием конфигураций с разной деформацией.

Стоит отметить, что для извлечения информации о ядре (δ<r²>_{A, A0}, μ, Q) из наблюдаемых особенностей оптических спектров (ИС, СТР) необходимы продвинутые атомные расчеты. В случае висмута результаты предшествующих расчетов для квадрупольного момента заметно отличались друг от друга. Для того чтобы устранить имеющуюся неопределенность, различными группами в нескольких лабораториях были произведены необходимые расчеты с использованием различающихся методик. Сопоставление результатов этих расчетов (было проанализировано 33 варианта) позволило надежно установить требуемую атомную константу и оценить ее возможную погрешность. Важную роль в этом беспрецедентном исследовании сыграли расчеты сотрудников Лаборатории квантовой химии Отделения перспективных разработок НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ.

Результаты работы изложены в статье [1] (в списке авторов выделены сотрудники НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ). Вклад сотрудников Лаборатории короткоживущих ядер НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ в эксперимент по исследованию изотопов висмута на установке ИЗОЛДЕ был определяющим на всех этапах работы: постановка задачи, планирование эксперимента, проведение измерений, эксплуатация и модернизация лазерной установки, обработка полученных данных, интерпретация результатов.

Работа выполнена в рамках проекта РФФИ № 19-02-00005.

[1] Barzakh A., Andreyev A. N., Raison C., Cubiss J. G., Van Duppen P., Péru S., Hilaire S., Goriely S., Andel B., Antalic S., Al Monthery M., Berengut J. C., Bieroń J., Bissell M. L., Borschevsky A., Chrysalidis K., Cocolios T. E., Day Goodacre T., Dognon J.-P., Elantkowska M., Eliav E., Farooq-Smith G. J., Fedorov D. V., Fedosseev V. N., Gaffney L. P., Garcia Ruiz R. F., Godefroid M., Granados C., Harding R. D., Heinke R., Huyse M., Karls J., Larmonier P., Li J. G., Lynch K. M., Maison D. E., Marsh B. A., Molkanov P., Mosat P., Oleynichenko A. V., Panteleev V., Pyykkö P., Reitsma M. L., Rezynkina K., Rossel R. E., Rothe S., Ruczkowski J., Schiffmann S., Seiffert C., Seliverstov M. D., Sels S., Skripnikov L. V., Stryjczyk M., Studer D., Verlinde M., Wilman S., Zaitsevskii A. V., Large Shape Staggering in Neutron-Deficient Bi Isotopes, Phys. Rev. Lett. 127, 192501 (2021).
DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.192501