Китайские физики оценили эффективность метода возбуждения ядер тория-229 в изомерное состояние. Для этого они предложили упаковывать атомы в кластеры и облучать их мощными фемтосекундными импульсами. По расчетам ученых из одного миллиграмма тория-229 таким способом можно добыть до триллиона ядерных изомеров. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.
Нуклоны на четыре порядка тяжелее электронов, а их орбиты короче на пять порядков. Из-за этого ядерные процессы протекают на энергетических и временных масштабах, не сопоставимых с атомными. К примеру, в молекулярной физике популярно приближение Борна — Оппенгеймера, которое позволяет «развязать» электронное и ядерное движение (что, впрочем, не всегда оправдано).
И все же в ядерной физике возможны процессы, чьи энергии сопоставимы с таковыми при электронных переходах (единицы электронвольт). Ярчайший пример — переход между основным и возбужденным состоянием (изомером) ядра тория-229, энергия которого равна 8,28 электронвольта. Существуют исследования, которые указывают на то, что ядерные часы на базе такого перехода могут быть точнее, чем современные атомные часы. Высказывались также идеи об использовании изомера 229mTh для лазерной генерации и проверки физических констант. Решение этих задач во многом упирается в производство такого изомера, существующие методы которого страдают от низкой эффективности.
Группа ученых из Китайской академии инженерной физики под руководством Сюйа Вана (Xu Wang) попыталась разобраться, насколько эффективным станет подход к изомеризации тория, основанный на лазерном нагреве кластера атомов. Идея метода в следующем: мощный фемтосекундный лазерный импульс облучает атомный кластер и вызывает в нем множественную ионизацию. Вылетающие электроны в течение одной пикосекунды, пока существует кластер, рассеиваются или захватываются ионами. Эти процессы обеспечивают два разных способа возбуждения ядер тория-229.
Чтобы понять, как именно происходит этот процесс, авторы моделировали в рамках метода частиц в ячейках кластер из миллиона атомов тория, упакованных в сферу радиусом 19,8 нанометра. На кластер падал 30-фемтосекудный импульс с длиной волны 800 нанометров, пиковую интенсивность которого ученые изменяли в широком диапазоне.
От последнего параметра зависел спектр фотоэлектронов и их количество. Так, импульс с 1015 ваттами на квадратный сантиметр на пике выбивал в среднем четыре электрона на атом. Когда кинетическая энергия выбитого электрона оставалась ниже энергии возбуждения изомера, наблюдался процесс NEEC, в противном случае имело место неупругое рассеяние NEIES. Два этих процесса дают принципиально разный вклад в сечение изомеризации: NEEC выглядит как дискретный набор очень узких и интенсивных резонансов, NEIES же имеет непрерывное распределение.
Результаты моделирования подтвердили, что характер возбуждения ядра зависит от пиковой интенсивности светового импульса. При 1014 ваттах на квадратный сантиметр доминирует NEEC, но с ростом интенсивности до 1016 ватт на квадратный сантиметр он вытесняется NEIES-процессами.
От интенсивности зависит и выход изомеров. Расчеты показали, что при 2×1014 ваттах на квадратный сантиметр возбуждается в среднем 0,4 изомера на кластер. В пересчете на один миллиграмм изотопа тория-229 это дает около триллиона изомеров, что довольно много. В своей статье авторы дают рекомендации по экспериментальной проверке и применению метода лазерного нагрева кластеров.
Изомер 229mTh живет около микросекунды, после чего релаксирует преимущественного через внутреннюю конверсию. Однако физикам известны и куда более долгоживущие ядерные изомеры. Самым большим периодом полураспада среди изомеров обладает тантал-180m. Он настолько велик, что физики еще никогда не измеряли его в лаборатории, хотя в будущем, возможно, им удастся это сделать.