Ученые ОИЯИ первыми синтезировали новый, нейтронодефицитный изотоп

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 ²⁴⁹ No. Этот изотоп ученые ОИЯИ синтезировали первыми в мире, причем с высокой статистикой  – 220 событий.

Также были обнаружены новые моды распада и изомерные состояния изотопа ²⁵³ Rf, проведен анализ α-, γ- спектров ядер ²⁵⁶ No, ²⁵⁷ Rf, а также получены ранее не известные изомерные состояния этих ядер и изучены свойства спонтанно-делящихся изотопов ^252,254 No и ²⁵⁴ Rf. Полученные результаты помогают ученым продвинуться в понимании свойств и пределов стабильности ядерной материи.

²⁴⁹ No и ²⁵³ Rf

Результаты экспериментов прокомментировал начальник сектора №2 Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ Александр Свирихин:

– 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 ²⁴⁹ No, 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  –  ²⁵³ Rf, 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».

Детали исследования представили сами ученые.

« α -, γ - спектрометрия и свойства распада изотопов ^{249,252,254,256} No и ^253,254,257 Rf »

В последние годы, с развитием экспериментальных методик физики тяжелых ионов, область ядер тяжелее фермия (Z ≥ 100) стала доступна для детального изучения. Характеристики радиоактивного распада тяжелых и сверхтяжелых ядер, получаемых на высокоинтенсивных пучках многозарядных ионов циклотрона У-400 ЛЯР, дают представление о свойствах и пределах стабильности ядерной материи. С использованием сепаратора продуктов реакций полного слияния SHELS и широкого набора детектирующих сборок, наша группа, за последние годы, значительно продвинулась в изучении свойств распада ядер из указанной области.

В цикле работ группой из ЛЯР ОИЯИ изучались свойства радиоактивного распада нейтронодефицитных изотопов нобелия (No) и резерфордия (Rf), чьи массы лежат в окрестностях нейтронной подоболочки N = 152. 

Для сильно нейтронодефицитного изотопа ²⁴⁹ No, впервые синтезированного в эксперименте на сепараторе SHELS в 2020 году, были измерены период полураспада (T _1/2 = 38,1±2,5 мс), энергия α-частиц ( E _α = 9129 кэВ), оценена вероятность спонтанного деления ( b _SF ≤ 0 , 23%).

Для ^252,254 No [4] и ²⁵⁴ Rf [5] изучались характеристики спонтанного деления, такие как ТКЕ и выход мгновенных нейтронов. Для ²⁵⁴ No и ²⁵⁴ Rf среднее число нейтронов на спонтанное деление определялось впервые и составило 4.88 ± 0.53 и 3.87 ± 0.34, соответственно. С использованием усовершенствованного метода статистической регуляризации [6], восстанавливались распределения мгновенных нейтронов спонтанного деления по множественностям. Для короткоживущего изотопа ²⁵² No, на новой детектирующей системе SFiNX [7], нейтронные выходы измерены с рекордной точностью. Результаты измерений и сравнение с теоретическими расчетами приводятся в таблице 1.

Табл. 1. Сравнение измеренных и расчетных выходов мгновенных нейтронов спонтанного деления ядер, зарегистрированных в фокальной плоскости сепаратора SHELS .

Для более тяжелых изотопов нобелия и резерфордия, с использованием детектирующей системы GABRIELA [8] проводилось детальное изучение ядерных уровней, как в основном, так и в изомерных состояниях. При изучении ядерных уровней изотопа ²⁵⁶ No впервые было обнаружено короткоживущее высоко-спиновое k-изомерное состояние [9], которое уверенно идентифицируется как одно-квазичастичное нейтронное состояние (11/2 ^- [725]). Удается проследить уменьшение энергии возбуждения этого состояния с увеличением атомного номера изотонов с N=153. Например, при изучении тонкой структуры α-распада ²⁵⁷ Rf [10] обнаружено аналогичное состояние при энергии уровня всего 75 кэВ выше основного состояния.

Наконец, в марте 2021 г., эксперимент по изучению распада ²⁵³ Rf подтвердил наличие у этого ядра двух низко-лежащих спонтанно-делящихся состояний с значительной разницей в периодах полураспада (Рис.3).

Наблюдаемые детали распада третьего высокоспинового К-изомерного состояния при энергии возбуждения выше 1 МэВ позволили выявить структуру состояния, соответствующего короткоживущей спонтанно-делящейся активности ²⁵³ Rf, сопоставив отмеченному одно-квазичастичную нейтронному состоянию конфигурацию 7/2+[624]. Кроме того, впервые был зарегистрирован α-распад этого ядра (b _α =17±6 %), приводящий к образованию ранее полученного изотопа ²⁴⁹ No.

Наши результаты расширяют представление о поведении ядерной материи в области нейтроно-дефицитных трансфермиевых ядер. Измерения парциальных периодов полураспада, энергии распада и изучение изомерии тяжелых ядер расширяют базисную информацию для развития моделей строения ядра и оценки границ существования ядер. Несмотря на то, что работы в этой области значительно ограничиваются низкими сечениями реакций полного слияния, методики, реализуемые на сепараторе SHELS, позволяют синтезировать искомые ядра в количествах, достаточных для подробного изучения характеристик радиоактивного распада.