Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
График изотопной стабильности с некоторыми магическими числами.

В ядерной физике , А магическое число это число нуклонов (либо протонов или нейтронов , отдельно) таким образом, что они расположены в полные оболочек внутри атомного ядра . В результате атомные ядра с «магическим» числом протонов или нейтронов намного более стабильны, чем другие ядра. Семь наиболее широко известных магических чисел на 2019 год - это 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126 (последовательность A018226 в OEIS ). Для протонов это соответствует элементам гелий , кислород , кальций , никель., олово , свинец и гипотетический унбигексий , хотя 126 пока известно только как магическое число для нейтронов. Атомные ядра, состоящие из такого магического числа нуклонов, имеют более высокую среднюю энергию связи на нуклон, чем можно было бы ожидать, основываясь на предсказаниях, таких как полуэмпирическая формула массы, и, следовательно, они более устойчивы к ядерному распаду.

Необычная стабильность изотопов, имеющих магические числа, означает, что трансурановые элементы теоретически могут быть созданы с очень большими ядрами и при этом не подвергаться чрезвычайно быстрому радиоактивному распаду, обычно связанному с высокими атомными номерами . Говорят, что большие изотопы с магическим числом нуклонов существуют на острове стабильности . В отличие от магических чисел 2–126, которые реализуются в сферических ядрах, теоретические расчеты предсказывают, что ядра на острове стабильности деформируются. До того, как это было реализовано, более высокие магические числа, такие как 184, 258, 350 и 462 (последовательность A033547 в OEIS), были предсказаны на основе простых вычислений, которые предполагали сферическую форму: они генерируются по формуле (см. биномиальный коэффициент ). Сейчас считается, что последовательность сферических магических чисел не может быть расширена таким образом. Дальнейшие предсказания магических чисел 114, 122, 124 и 164 для протонов, а также 184, 196, 236 и 318 для нейтронов. [1] [2] [3] Однако более современные вычисления предсказывают, наряду с 184 и 196, 228 и 308 для нейтронов. [4]

История и происхождение термина [ править ]

Мария Гепперт Майер

Работая над Манхэттенским проектом , немецкий физик Мария Гепперт Майер заинтересовалась свойствами продуктов ядерного деления, такими как энергия распада и период полураспада. [5] В 1948 году она опубликовала ряд экспериментальных доказательств существования закрытых ядерных оболочек для ядер с 50 или 82 протонами или 50, 82 и 126 нейтронами. [6] (Ранее уже было известно, что ядра с 20 протонами или нейтронами стабильны: об этом свидетельствуют расчеты венгерско-американского физика Юджина Вигнера , одного из ее коллег по Манхэттенскому проекту.) [7]Два года спустя, в 1950 году, последовала новая публикация, в которой она приписала замыкания оболочек при магических числах спин-орбитальной связи. [8]

По словам Стивена Мошковски (ученика Марии Гепперт Майер), термин «магическое число» был придуман Вигнером: «Вигнер тоже верил в модель жидкой капли , но он признал из работы Марии Майер очень веские доказательства того, что закрытые оболочки. Ему это показалось немного волшебным, и именно так были придуманы слова «Магические числа» ». [9]

Эти магические числа легли в основу модели ядерной оболочки , которую Майер разработал в последующие годы вместе с Хансом Йенсеном и увенчался их общей Нобелевской премией по физике 1963 года. [10]

Двойная магия [ править ]

Ядра, каждое из которых имеет нейтронное число и протонное ( атомное ) число, равное одному из магических чисел, называются «дважды магическими» и особенно устойчивы к распаду. [11] Известными дважды магическими изотопами являются гелий-4 , гелий- 10, кислород-16 , кальций-40 , кальций-48 , никель- 48, никель -56, никель -78, олово- 100, олово- 132 и вести-208. Однако только первый, третий, четвертый и последний из этих дважды магических нуклидов полностью стабильны, хотя кальций-48 чрезвычайно долгоживущий и поэтому встречается в природе, распадаясь только в результате очень неэффективного процесса двойного бета- распада.

Двойные магические эффекты могут позволить существование стабильных изотопов, чего в противном случае нельзя было бы ожидать. Примером является кальций-40 с 20 нейтронами и 20 протонами, который является самым тяжелым стабильным изотопом, состоящим из того же количества протонов и нейтронов. И кальций-48, и никель- 48 обладают двойной магией, потому что кальций-48 имеет 20 протонов и 28 нейтронов, а никель-48 имеет 28 протонов и 20 нейтронов. Кальций-48 очень богат нейтронами для такого легкого элемента, но, как и кальций-40, он стабилизируется за счет двойной магии.

Оболочечные эффекты магического числа проявляются в обычных количествах элементов: гелий-4 - одно из самых распространенных (и стабильных) ядер во Вселенной [12], а свинец-208 - самый тяжелый стабильный нуклид .

Магические эффекты могут удерживать нестабильные нуклиды от разложения так быстро, как можно было бы ожидать в противном случае. Например, нуклиды олова- 100 и олово-132 являются примерами дважды магических изотопов олова , которые нестабильны и представляют собой конечные точки, за пределами которых стабильность быстро падает. Никель-48, открытый в 1999 году, является самым богатым протонами дважды магическим нуклидом из известных. [13] С другой стороны, никель-78 также является дважды магическим, с 28 протонами и 50 нейтронами, соотношение наблюдается только в гораздо более тяжелых элементах, за исключением трития с одним протоном и двумя нейтронами ( 78 Ni: 28/50 = 0,56 ; 238 U: 92/146 = 0,63). [14]

В декабре 2006 года международная группа ученых во главе с Мюнхенским техническим университетом обнаружила хассий- 270, содержащий 108 протонов и 162 нейтрона, с периодом полураспада 9 секунд. [15] Калий-270, очевидно, является частью острова стабильности , и может даже быть вдвойне волшебным из-за деформированной (как в американском футболе или мяча для регби ) формы этого ядра. [16] [17]

Хотя Z  = 92 и N  = 164 не являются магическими числами, необнаруженное богатое нейтронами ядро урана- 256 может быть дважды магическим и сферическим из-за разницы в размерах между орбиталями с низким и высоким угловым моментом , что изменяет форму орбиталей. ядерный потенциал . [18]

Вывод [ править ]

Магические числа обычно получают эмпирическими исследованиями; если вид ядерного потенциала известен, то уравнение Шредингера может быть решено для движения нуклонов и определены уровни энергии. Считается, что ядерные оболочки возникают, когда расстояние между энергетическими уровнями значительно больше, чем среднее локальное расстояние.

В оболочечной модели ядра магические числа - это числа нуклонов, при которых оболочка заполнена. Например, магическое число 8 возникает, когда уровни энергии 1s 1/2 , 1p 3/2 , 1p 1/2 заполнены, поскольку существует большой энергетический зазор между 1p 1/2 и следующим по величине 1d 5/2. уровни энергии.

Атомным аналогом ядерных магических чисел является такое количество электронов, которое приводит к скачкам энергии ионизации . Это происходит с благородными газами: гелием , неоном , аргоном , криптоном , ксеноном , радоном и оганессоном . Следовательно, «атомные магические числа» равны 2, 10, 18, 36, 54, 86 и 118. Ожидается, что, как и в случае с ядерными магическими числами, они будут изменены в сверхтяжелой области из-за эффектов спин-орбитального взаимодействия, влияющих на энергию подоболочки. уровни. Следовательно, коперниций (112) и флеровий Предполагается, что (114) будут более инертными, чем оганессон (118), и ожидается, что следующий за ними благородный газ будет происходить в элементе 172, а не в элементе 168 (что продолжит эту схему).

В 2010 году было дано альтернативное объяснение магических чисел с точки зрения симметрии. На основе дробного расширения стандартной группы вращений одновременно аналитически были определены свойства основного состояния (включая магические числа) металлических кластеров и ядер. В этой модели нет необходимости в конкретном потенциальном члене. [19] [20]

См. Также [ править ]

  • Суператом
  • Супердеформация

Ссылки [ править ]

  1. ^ Крац, СП (5 сентября 2011). Влияние сверхтяжелых элементов на химические и физические науки (PDF) . 4-я Международная конференция по химии и физике трансактинидных элементов . Проверено 27 августа 2013 года .
  2. ^ «Ядерщики видят будущее высадки на втором« острове стабильности » » .
  3. ^ Груманн, Йенс; Мозель, Ульрих; Финк, Бернд; Грейнер, Уолтер (1969). «Исследование устойчивости сверхтяжелых ядер вокруг Z = 114 и Z = 164». Zeitschrift für Physik . 228 (5): 371–386. Bibcode : 1969ZPhy..228..371G . DOI : 10.1007 / BF01406719 .
  4. ^ Koura, H. (2011). Режимы распада и предел существования ядер в области сверхтяжелых масс (PDF) . 4-я Международная конференция по химии и физике трансактинидных элементов . Проверено 18 ноября 2018 .
  5. ↑ Из тени: вклад женщин двадцатого века в физику . Байерс, Нина. Кембридж: Cambridge Univ. Пр. 2006. ISBN 0-521-82197-5. OCLC  255313795 .CS1 maint: другие ( ссылка )
  6. ^ Майер, Мария Г. (1948-08-01). «О закрытых оболочках в ядрах» . Физический обзор . 74 (3): 235–239. DOI : 10.1103 / Physrev.74.235 . ISSN 0031-899X . 
  7. ^ Вигнер, Э. (1937-01-15). «О последствиях симметрии ядерного гамильтониана на спектроскопию ядер» . Физический обзор . 51 (2): 106–119. DOI : 10.1103 / PhysRev.51.106 .
  8. ^ Майер, Мария Гепперт (1949-06-15). «О закрытых оболочках в ядрах. II» . Физический обзор . 75 (12): 1969–1970. DOI : 10.1103 / PhysRev.75.1969 .
  9. Перейти ↑ Audi, Georges (2006). «История нуклидных масс и их оценка». Международный журнал масс-спектрометрии . 251 (2–3): 85–94. arXiv : физика / 0602050 . Bibcode : 2006IJMSp.251 ... 85A . DOI : 10.1016 / j.ijms.2006.01.048 .
  10. ^ «Нобелевская премия по физике 1963 года» . NobelPrize.org . Проверено 27 июня 2020 .
  11. ^ «Что такое стабильные ядра - нестабильные ядра - определение» . Периодическая таблица . 2019-05-22 . Проверено 22 декабря 2019 .
  12. ^ Нейв, CR "Наиболее тесно связанные ядра" . Гиперфизика .
  13. ↑ W., P. (23 октября 1999 г.). «Дебютирует дважды волшебный металл - изотоп никеля» . Новости науки . Архивировано из оригинала на 24 мая 2012 года . Проверено 29 сентября 2006 .
  14. ^ «Испытания подтверждают, что никель-78 является« дважды магическим »изотопом» . Phys.org . 5 сентября 2014 . Проверено 9 сентября 2014 .
  15. ^ Audi, G .; Кондев Ф.Г .; Wang, M .; Хуанг, WJ; Наими, С. (2017). «Оценка ядерных свойств NUBASE2016» (PDF) . Китайская физика C . 41 (3): 030001–134. Bibcode : 2017ChPhC..41c0001A . DOI : 10.1088 / 1674-1137 / 41/3/030001 .
  16. ↑ Мейсон Инман (14 декабря 2006 г.). «Ядерная магия» . Физический обзор . 18 . Проверено 25 декабря 2006 .
  17. ^ Dvorak, J .; Brüchle, W .; Челноков, М .; Dressler, R .; Düllmann, Ch. E .; Eberhardt, K .; Горшков, В .; Jäger, E .; Krücken, R .; Кузнецов, А .; Nagame, Y .; Nebel, F .; Новацкова, З .; Цинь, З .; Schädel, M .; Schausten, B .; Schimpf, E .; Семченков, А .; Thörle, P .; Türler, A .; Wegrzecki, M .; Wierczinski, B .; Якушев А .; Еремин, А. (2006). «Двойное магическое ядро 108 270 Hs 162 » . Письма с физическим обзором . 97 (24): 242501. Bibcode : 2006PhRvL..97x2501D . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.97.242501 . PMID 17280272 . 
  18. ^ Koura, H .; Чиба, С. (2013). «Одночастичные уровни сферических ядер в области сверхтяжелых и сверхтяжелых масс» . Журнал Физического общества Японии . 82 (1): 014201. Bibcode : 2013JPSJ ... 82a4201K . DOI : 10,7566 / JPSJ.82.014201 .
  19. ^ Herrmann, Ричард (2010). «Более многомерные смешанные группы дробного вращения как основа динамических симметрий, порождающих спектр деформированного осциллятора Нильссона». Physica . 389 (4): 693–704. arXiv : 0806.2300 . Bibcode : 2010PhyA..389..693H . DOI : 10.1016 / j.physa.2009.11.016 .
  20. ^ Herrmann, Ричард (2010). «Дробный фазовый переход в металлических кластерах среднего размера и некоторые замечания о магических числах в гравитационно и слабо связанных кластерах». Physica . 389 (16): 3307–3315. arXiv : 0907.1953 . Bibcode : 2010PhyA..389.3307H . DOI : 10.1016 / j.physa.2010.03.033 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Нейв, CR "Оболочечная модель ядра" . Гиперфизика .
  • Последовательность OEIS A018226 (Магические числа нуклонов: ядра с одним из этих чисел протонов или нейтронов более устойчивы к ядерному распаду)
  • Шерри, Эрик (2007). Периодическая таблица, ее история и ее значение . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-530573-9. особенно см. главу 10.
  • Московиц, Клара. «Открыто» «новое магическое число» внутри атомов . Scientific American .
  • Уоткинс, Тайер. «Почти полное объяснение чисел ядерной магии» .