А ви знали, що кисень - один із найпоширеніших елементів у Всесвіті? І що у нього є різні форми, які називаються ізотопами?
Ізотопи - це атоми одного й того самого елемента, які мають різну кількість нейтронів у своєму ядрі. Нейтрони - це частинки без заряду, що тримаються разом із протонами - частинками з позитивним зарядом - завдяки сильній ядерній взаємодії.
Така взаємодія утримує у купі всі речі навколо нас, і фізики хочуть краще зрозуміти її властивості, щоб розкрити таємниці походження елементів, нейтронних зірок та багато чого іншого.
Природний спосіб вивчати сильну ядерну взаємодію - створювати ізотопи з надлишком нейтронів і спостерігати за їхньою поведінкою.
Наприклад, найпоширеніший ізотоп кисню, O16, має 8 протонів і 8 нейтронів у своєму ядрі. Але чи можна додати ще більше нейтронів і отримати стабільний атом кисню? Теоретично так, якщо при цьому будуть дотримуватися так звані "магічні" числа.
Магічні числа - це певні кількості протонів або нейтронів, за яких ядро стає особливо стійким. Що пов'язано з тим, як протони та нейтрони заповнюють "оболонки" в ядрі атома.
Коли оболонка заповнена потрібною кількістю протонів або нейтронів, то стає дуже складно додати або прибрати частинки. Вважається, що магічними числами є 2, 8, 20, 28, 50, 82 і 126 частинок. Якщо ядро має магічне число як протонів, так і нейтронів, то воно стає "двічі магічним" - і відповідно ще більш стабільним.
Оскільки O16 двічі магічний через свої 8 протонів і 8 нейтронів, то науковці довго припускали, що двічі магічним буде також кисень-28 (O28), який має 8 протонів і 20 нейтронів. Але вченим досі не вдавалося виявити рідкісний ізотоп.
Однак команда дослідників з Японії нещодавно повідомила про перше у світі детектування O28 у журналі Nature.
Для цього їм потрібно було використовувати потужний комплекс інструментів і провести кілька складних експериментів.
Спочатку вони створили ізотоп фтору-29 (F29), який має на один протон більше, ніж O28, але таку саму кількість нейтронів. Потім вони зіштовхнули F29 з рідким воднем і отримали O28.
Цей рідкісний вид кисню був занадто нетривалим, щоб його можна було спостерігати безпосередньо. Але команда зареєструвала продукти його розпаду: кисень-24 плюс чотири нейтрони.
Дуже важке завдання, адже нейтрони не мають заряду і не піддаються управлінню магнітами, як протони. Для виявлення окремих нейтронів команда використовувала спеціальний детектор, який дозволяє бачити всі вхідні нейтрони та їх взаємодію з протонами.
Результати експерименту здивували вчених. Виявилося, що O28 не поводився як двічі магічний ізотоп - він розпадався майже відразу після створення. А це, своєю чергою, означає, що теорії про структуру атомних ядер можуть бути неповними або хибними.
Зазначимо, що такий випадок - не перший, коли фізики стикаються з несподіваними властивостями ізотопів кисню.
Нагадаємо: у 2009 році інша команда фахівців продемонструвала, що кисень-24 (O24), який має 8 протонів і 16 нейтронів, поводиться так, ніби він теж двічі магічний. Його ядро дуже міцно пов'язане, і він живе досить довго - близько 61 мілісекунди. Тобто в деяких ядрах 16 може бути приховуватися щось “магічне”.
"Магічні числа не є незмінними", - каже Роберт Янссенс, фізик з Університету Північної Кароліни в Чапел-Хілл.
Тепер у науковців з'явилося багато нових запитань про сили, які тримають ядра разом. Вони вже мріють про наступні кроки.
Так, доктор Сідзю Накамура з Каліфорнійського університету хоче спробувати виявити кисень-30. Оскільки стабільність різних ізотопів відносна, то було б корисно порівняти O28 із ще більш важчим родичем.
"Це так просто і так складно", - каже Янссенс.
"Ми поки що не знаємо, скільки протонів і нейтронів можна склеїти в ядрі та змусити їх триматися разом, - додає він. - Де межа?"
