Учени установиха защо ядрата на някои химични елементи са изключително стабилни – загадка, която десетилетия наред оставаше неразрешена в ядрената физика.

Специален набор от числа, известни като „магически числа“, е в основата на изследванията в ядрената физика от почти 80 години.

Сега учени разкриха как този набор от числа възниква от квантовото смесване на ядрените частици и сили. Изследването е публикувано в списание Physical Review Letters, съобщава New Scientist.

Какво представляват магическите числа в ядрената физика?

Преди близо 80 години физикът Мария Гьоперт-Майер доказва, че ако ядрото на даден химичен елемент съдържа определен брой протони и неутрони, то става много стабилно.

В ядрената физика този брой получава названието „магически числа“. Към днешна дата магическите числа са: 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126.

Ако в ядрото на един атом има точно такъв брой протони или неутрони, то е по-стабилно от ядрата на други химични елементи.

Магическите числа се срещат в изотопите, тоест в разновидностите на един и същ атом на даден химичен елемент.

Съществуват и така наречените „двойно магически“ числа

Най-стабилни са атомните ядра, в които както броят на протоните, така и броят на неутроните са магически.

Такива са, например, изотопите хелий-4 (2 протона, 2 неутрона), кислород-16 (8 протона, 8 неутрона), калций-40 (20 протона, 20 неутрона) и олово-208 (82 протона, 126 неутрона).

Последният е най-стабилният известен изотоп.

Гьоперт-Майер и нейните съвременници обясняват магическите числа с това, че протоните и неутроните в атомното ядро заемат различни енергийни нива, или слоеве.

Тоест, тези ядрени частици се въртят по орбити, подобно на електроните около ядрото.

Този слоест модел на атомното ядро все още се използва за интерпретация на много експерименти в ядрената физика.

В рамките на този модел протоните и неутроните запълват слоевете на ядрото. И щом един слой бъде запълнен, стабилността на ядрото значително се повишава.

Моделът разглежда всяка частица в ядрото като независима. Но съвременните квантови теории твърдят, че частиците вътре в атомните ядра всъщност силно взаимодействат.

Авторите на новото изследване разрешават това противоречие. И в процеса обясняват как магическите числа възникват от тези взаимодействия.

Разрешаването на загадката

Според физиците слоестият модел на атомното ядро се основава на експериментални данни и не описва детайлите на взаимодействията между всяка частица.

Вместо това учените са описали математически как частиците си взаимодействат, как се приближават една до друга и колко енергия е необходима, за да бъдат разделени.

Двете описания са аналогични на изображения с ниска и висока резолюция.

Физиците са започнали с описанието с висока резолюция. И постепенно са я намалявали на всеки етап от изчисленията и са проследявали как се променя структурата, образувана от частиците в ядрото.

Учените са наблюдавали промяна в симетрията на квантовите състояния на частиците.

Изчертаването на графика въз основа на уравненията за тези състояния е водело до появата на форми с различна симетрия при различна резолюция.

Тази промяна е водела до образуването на ядрена структура, която е била най-стабилна, когато частиците са се групирали в магически числа.

Разкритата от физиците промяна в симетрията е свързана с ефекти, описани в теорията на относителността на Айнщайн. По този начин се очертава още по-пълна картина за това как магическите числа обединяват различни аспекти на ядрената физика.

Към момента авторите на изследването са проверили своите теоретични предположения върху изотопа калай-132, чието ядро е двойно магическо. То съдържа 50 протона и 82 неутрона, както и върху няколко други атомни ядра.