Группа физиков впервые наблюдала явление, которое долго считалось невозможным или трудноуловимым — для конкретного нестабильного изотопа фтора. Команда исследователей из лаборатории Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) в штате Мичиган впервые экспериментально зарегистрировала β-отсроченное нейтронное излучение в изотопе фтора-25 (2⁵F). Это явление происходит, когда после β-распада дочернее ядро оказывается в возбужденном состоянии и испускает нейтрон. Результаты исследования опубликованы в журнале Physics Letters B.
У самого активного в химическом плане элемента периодической системы всего один стабильный изотоп — 19F. Его сосед по изотопной линейке 18F имеет период полураспада 110 минут и применяется в медицинской диагностике, причем ускорители для получения изотопа должны находиться непосредственно рядом с пациентом. Все остальные изотопы фтора от 14F до 31F живут считанные секунды, а чаще — ничтожные доли секунды.
Исходный изотоп фтор-25 также крайне нестабилен, период его полураспада равен 80 миллисекундам. С помощью нового детектора FRIB Decay Station Initiator (FDSi) ученые наблюдали, как после β-распада возникает излучение нейтрона из ядра неона-25, дочернего продукта распада. В итоге практически сразу получается 24Ne. Это позволяет по-новому исследовать связь частиц в ядрах, далеких от «линий стабильности».
Результаты последних измерений расходятся с данными прошлых экспериментов, проведенных в 2020 году, что подталкивает к новой интерпретации структуры экзотических ядер.
В ходе экспериментов и моделирования исследователи установили, что вероятность бета-распада с отсроченной эмиссией нейтрона составляет примерно 23,1%. В остальных 76,9% случаев распад идет штатно.
Почему это важно для ядерной физики?
Внутри атомного ядра протоны и нейтроны распределены по энергетическим уровням — так называемым «оболочкам». Когда оболочки заполнены целиком, ядро становится более стабильным. В ядерной физике есть понятие «магических чисел» — это натуральные числа, соответствующие количеству нуклонов в атомном ядре, при котором становится полностью заполненной какая-либо его оболочка.
Новое измерение β-отсроченного нейтронного излучения во ¹⁵F повышает вероятность того, что число нейтронов N = 16 действует как магическое в ядрах, граничащих с областью «острова инверсии» — регионом таблицы нуклидов, где привычные правила оболочечной модели нарушаются.
Такие исследования помогают не только уточнять фундаментальные модели ядерной структуры, но и в перспективе уточняют данные для исследования астрофизических процессов — например, R-нуклеосинтеза (серии быстрых захватов нейтронов, которые формируют тяжелые элементы в космосе).
Феномен излучения β-отсроченных нейтронов играет важную роль в управлении реакторами — задержка их появления после распада ядра дает операторам время для контроля мощности реактора.
Похожая β-отсроченная эмиссия также наблюдается в других экзотических ядрах — например, в ядрах кадмия-132 (¹³²Cd), интересных для моделирования космологических процессов.
Недавно мы рассказали, что фтор и хлор нашли в алмазах, хотя считалось, что галогенов там быть не должно.