В ОИЯИ синтезировали новый, нейтронодефицитный изотоп нобелия
Группа ученых Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований в течение 2019 – 2021 годов исследовала свойства радиоактивного распада нейтронодефицитных ядер нобелия и резерфордия. По итогам проведенных экспериментов был синтезирован новый, нейтронодефицитный изотоп 249No. Этот изотоп ученые ОИЯИ синтезировали первыми в мире, причем с высокой статистикой - 220 событий. Также были обнаружены новые моды распада и изомерные состояния изотопа 253Rf, проведен анализ α-, γ- спектров ядер 256No, 257Rf, а также получены ранее не известные изомерные состояния этих ядер и изучены свойства спонтанно-делящихся изотопов 252,254No и 254Rf. Полученные результаты помогают ученым продвинуться в понимании свойств и пределов стабильности ядерной материи.
Результаты экспериментов прокомментировал начальник сектора №2 Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ Александр Свирихин.
249No и 253Rf
«Наша группа занимается изучением свойств радиоактивного распада тяжелых ядер преимущественно из трансфермиевой области. Эти работы важны для понимания, каким может быть минимальное и максимальное соотношение нейтронов и протонов в ядре, какое наименьшее количество нейтронов позволяет ядру оставаться стабильным. Например, в одном из наших экспериментов мы дошли до ядра нобелия с массой 249 – это открытый нами самый легкий изотоп нобелия», - пояснил Александр Свирихин. Ядра этого изотопа было достаточно сложно получить: на выосокоинтенсивных пучках циклотрона У-400, с использованием сепаратора продуктов реакций полного слияния SHELS, было зарегистрировано всего несколько десятков событий образования 249No, которые позволили установить схему его α-распада в уже известные ядра. «Фермий-245, в который он распадается, был слабо изучен, мы обнаружили для него моду распада, связанную с электронным захватом: он способен распадаться не только альфа-распадом в калифорний-241, как считалось ранее, но и в эйнштейний-245, как раз через электронный захват», - рассказал он. В следующем эксперименте было синтезировано «материнское» ядро - 253Rf, для которого был зафиксирован распад в нобелий-249, тем самым подтвердив «право на жизнь» этого изотопа.
Гамма-спектроскопия ядер No и Rf
Другие работы цикла связаны с гамма-распадом и структурой ядер. По словам Александра Свирихина, одним из наиболее точных способов изучения ядерных сил, удерживающих вместе нейтроны и протоны в атомном ядре, является альфа- и гамма-спектроскопия, благодаря которой можно изучить тонкую структуру альфа-распада, состояния, в которых ядро испускает гамма-кванты, а также ядерные изомеры.
«Тонкая прецизионная спектрометрия ядерного гамма-распада, анализ гамма-квантов – одна из мощных методик, позволяющих получать данные о структуре ядер. Изучая возбужденные состояния ядра, мы делаем выводы о том, как группируются нейтроны и протоны внутри ядра, как это влияет на его стабильность и в целом на состояние ядерной материи», - прокомментировал ученый. Таким образом научные сотрудники ЛЯР изучают фундаментальные свойства ядерных сил – их свойства раскрыты не до конца.
Спонтанное деление
Одним из вариантов распада тяжелых ядер является так называемое спонтанное деление, когда ядро само собой распадается на два произвольных осколка, различающихся по массе. В отличие от альфа-распада, когда из ядра вылетает альфа-частица, здесь получаются два осколка, которые были сформированы внутри ядра.
«Данные, которые обобщают свойства этого вида распада для ядер тяжелее фермия, довольно скупы. Очень мало данных о том, какие именно осколки образуются, какая у них энергия распада. Поскольку у нас есть возможность получать в значимых количествах ядра тяжелых элементов, мы можем максимально детально изучить в том числе этот процесс спонтанного деления», - отметил Александр Свирихин.
Ученые ЛЯР оценивают такие параметры спонтанного деления, как период полураспада, полная кинетическая энергия осколков, выделяемая в процессе деления, а также измеряют параметр, который не исследуется больше ни в одной лаборатории в мире – нейтронные характеристики спонтанного деления. В процессе деления ядра испускаются несколько не связанных нейтронов, которые вылетают из осколков деления. Этот процесс обосновывает существование цепной реакции в ядерных реакторах, а в ЛЯР ОИЯИ ученые, подсчитывая количество таких свободных нейтронов, пытаются сделать выводы о процессе формирования осколков.
«По сути, это тоже путь к пониманию того, как устроены ядерные силы, под воздействием каких именно закономерностей формируются осколки перед разделением ядра, - продолжил спикер. – Есть ядро, оно стабильно – живет, может быть, секунды, а может быть, несколько тысячелетий, и вдруг оно произвольно делится на два осколка: почему именно на эти два осколка, почему диапазон их масс именно таков? Изучая все это, мы получаем детальную и очень важную информацию о природе ядерных сил. Наш вклад в физику деления заключается в том, что мы изучаем спонтанное деление в этой тяжелой области для ядер тяжелее фермия, для короткоживущих нейтронодефицитных ядер».
Александр Свирихин добавил, что сепаратор SHELS, который использовался для проведения всех перечисленных экспериментов, позволяет изучать ядра с периодом полураспада в несколько микросекунд. «Например, мы можем получить несколько тысяч ядер 250No, каждое из которых имеет период полураспада 4-5 мкс, и мы можем его довольно подробно изучить», - рассказал он.
Работы цикла были выполнены коллективом ученых ЛЯР ОИЯИ: Александр Свирихин, Александр Еремин, Андрей Попеко, Олег Малышев, Юрий Попов, Андрей Исаев, Мерейгуль Тезекбаева, Роман Мухин – совместно с исследователями IJCLab, IN2P3-CNRS, Университета Париж–Сакле А. Лопез-Мартенс и К. Хошильдом. Авторы получили вторую Премию ОИЯИ в категории «За научно-исследовательские экспериментальные работы».