Магическое число (физика) - Википедия - Magic number (physics)

График изотопной стабильности с некоторыми магическими числами.

В ядерная физика, а магическое число это ряд нуклоны (либо протоны или же нейтроны, отдельно) так, чтобы они были собраны в снаряды в пределах атомное ядро. В результате атомные ядра с «магическим» числом протонов или нейтронов намного более стабильны, чем другие ядра. Семь самых известных магических чисел по состоянию на 2019 год: 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126 (последовательность A018226 в OEIS ). Для протонов это соответствует элементам гелий, кислород, кальций, никель, банка, вести и гипотетический унбигексий, хотя 126 пока известно только как магическое число для нейтронов. Атомные ядра, состоящие из такого магического числа нуклонов, имеют более высокое среднее энергия связи на нуклон чем можно было бы ожидать, основываясь на таких прогнозах, как полуэмпирическая формула массы и, следовательно, более устойчивы к ядерному распаду.

Необычная стабильность изотопы наличие магических чисел означает, что трансурановые элементы теоретически могут быть созданы с очень большими ядрами и, тем не менее, не подвержены чрезвычайно быстрому радиоактивный распад обычно ассоциируется с высоким атомные номера. Говорят, что большие изотопы с магическим числом нуклонов существуют в остров 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 (видеть 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]

История и происхождение термина

Мария Гепперт Майер

При работе на Манхэттенский проект, немецкий физик Мария Гепперт Майер заинтересовался свойствами продуктов ядерного деления, такими как энергия распада и период полураспада.[4] В 1948 году она опубликовала ряд экспериментальных свидетельств существования закрытых ядерных оболочек для ядер с 50 или 82 протонами или 50, 82 и 126 нейтронами.[5] (Ранее уже было известно, что ядра с 20 протонами или нейтронами стабильны: об этом свидетельствуют расчеты венгерско-американского физика Юджин Вигнер, один из ее коллег по Манхэттенскому проекту.)[6] Два года спустя, в 1950 году, последовала новая публикация, в которой она приписывала замыкание оболочек при магических числах спин-орбитальной связи.[7]

По словам Стивена Мошковски (ученика Марии Гепперт Майер), термин «магическое число» был придуман Вигнером: «Вигнер тоже верил в модель капли жидкости, но он распознал в работе Марии Майер очень веские доказательства закрытых корпусов. Ему это показалось немного волшебным, и именно так были придуманы слова «Магические числа» ».[8]

Эти магические числа были основой модель ядерной оболочки, который Майер разработал в последующие годы вместе с Ганс Йенсен и завершились их общим 1963 г. Нобелевская премия по физике.[9]

Вдвойне магия

Ядра, которые имеют нейтронное число и протон (атомный ) числа, каждое из которых равно одному из магических чисел, называются «дважды магическими» и особенно устойчивы к распаду.[10] Известными дважды магическими изотопами являются гелий-4, гелий -10, кислород-16, кальций-40, кальций-48, никель -48, никель -56, никель -78, банка -100, банка -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 очень неэффективным двойником. бета минус процесс 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. Обе кальций-48 и никель -48 вдвойне волшебны, 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.

Эффекты оболочки с магическим числом проявляются в обычных количествах элементов: гелий-4 является одним из самых распространенных (и стабильных) ядер во Вселенной.[11] а свинец-208 самая тяжелая конюшня нуклид.

Магические эффекты могут удерживать нестабильные нуклиды от разложения так быстро, как можно было бы ожидать. Например, нуклиды банка -100 и олово-132 - примеры двойной магии изотопы олова нестабильны и представляют собой конечные точки, за пределами которых стабильность быстро падает. Никель-48, открытый в 1999 году, является самым богатым протонами нуклидом, известным после гелия-3.[12] С другой стороны, никель-78 также является дважды магическим, с 28 протонами и 50 нейтронами, соотношение наблюдается только в гораздо более тяжелых элементах, кроме тритий с одним протоном и двумя нейтронами (78Ni: 28/50 = 0,56; 238U: 92/146 = 0,63).[13]

В декабре 2006 г. хасиум -270, содержащий 108 протонов и 162 нейтрона, был обнаружен международной группой ученых под руководством Технический университет Мюнхена, иметь период полураспада 9 секунд.[14] Калий-270, очевидно, входит в состав остров стабильности, и даже может быть вдвойне волшебным из-за деформированного (Американский футбол - или же мяч для регби -подобная) форма этого ядра.[15][16]

Несмотря на то что Z = 92 и N = 164 не являются магическими числами, необнаруженное богатое нейтронами ядро уран -256 может быть вдвойне магическим и сферическим из-за разницы в размерах между низким и высоким.угловой момент орбитали, что изменяет форму ядерного потенциала.[17]

Вывод

Магические числа обычно получают эмпирический исследования; если форма ядерный потенциал известно, то Уравнение Шредингера можно решить для движения нуклонов и определить уровни энергии. Считается, что ядерные оболочки возникают, когда расстояние между энергетическими уровнями значительно больше, чем локальное среднее расстояние.

в модель оболочки для ядра магические числа - это числа нуклонов, на которых заполняется оболочка. Например, магическое число 8 появляется, когда единицы1/2, 1п3/2, 1п1/2 уровни энергии заполнены, так как существует большой энергетический зазор между 1p1/2 и следующий по величине 1d5/2 уровни энергии.

Атомным аналогом ядерных магических чисел являются числа электроны приводя к разрывам в энергия ионизации. Это происходит для благородные газы гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон и Оганессон. 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 Copernicium (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 схему).

В 2010 году было дано альтернативное объяснение магических чисел с точки зрения симметрии. На основе дробный При расширении стандартной группы вращений одновременно аналитически определены свойства основного состояния (включая магические числа) металлических кластеров и ядер. В этой модели нет необходимости в конкретном потенциальном члене.[18][19]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Кратц, Дж. В. (5 сентября 2011 г.). Влияние сверхтяжелых элементов на химические и физические науки (PDF). 4-я Международная конференция по химии и физике трансактинидных элементов. Получено 27 августа 2013.
  2. ^ "Ученые-ядерщики ожидают выхода на сушу второго" острова 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. Дои:10.1007 / BF01406719.
  4. ^ Из тени: вклад женщин ХХ века в физику. Байерс, Нина. Кембридж: Cambridge Univ. Пр. 2006 г. ISBN  0-521-82197-5. OCLC  255313795.CS1 maint: другие (связь)
  5. ^ Майер, Мария Г. (1948-08-01). «О закрытых оболочках в ядрах». Физический обзор. 74 (3): 235–239. Дои:10.1103 / Physrev.74.235. ISSN  0031-899X.
  6. ^ Вигнер, Э. (1937-01-15). «О последствиях симметрии ядерного гамильтониана на спектроскопию ядер». Физический обзор. 51 (2): 106–119. Дои:10.1103 / PhysRev.51.106.
  7. ^ Майер, Мария Гёпперт (1949-06-15). «О закрытых оболочках в ядрах. II». Физический обзор. 75 (12): 1969–1970. Дои:10.1103 / PhysRev.75.1969.
  8. ^ Ауди, Жорж (2006). «История нуклидных масс и их оценка». Международный журнал масс-спектрометрии. 251 (2–3): 85–94. arXiv:физика / 0602050. Bibcode:2006IJMSp.251 ... 85A. Дои:10.1016 / j.ijms.2006.01.048.
  9. ^ «Нобелевская премия по физике 1963 года». NobelPrize.org. Получено 2020-06-27.
  10. ^ «Что такое стабильные ядра - нестабильные ядра - определение». Периодическая таблица. 2019-05-22. Получено 2019-12-22.
  11. ^ Нейв, К. «Наиболее плотно связанные ядра». Гиперфизика.
  12. ^ W., P. (23 октября 1999 г.). «Дебютирует дважды волшебный металл - изотоп никеля». Новости науки. Архивировано из оригинал 24 мая 2012 г.. Получено 2006-09-29.
  13. ^ «Испытания подтверждают, что никель-78 является« дважды магическим »изотопом». Phys.org. 5 сентября 2014 г.. Получено 2014-09-09.
  14. ^ Audi, G .; Кондев, Ф. Г .; Wang, M .; Huang, W. J .; Наими, С. (2017). «Оценка ядерных свойств NUBASE2016» (PDF). Китайская физика C. 41 (3): 030001–134. Bibcode:2017ЧФК..41с0001А. Дои:10.1088/1674-1137/41/3/030001.
  15. ^ Мейсон Инман (14 декабря 2006 г.). "Ядерная магия". Физический обзор. 18. Получено 2006-12-25.
  16. ^ 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 .; Qin, Z .; Schädel, M .; Schausten, B .; Schimpf, E .; Семченков, А .; Thörle, P .; Türler, A .; Wegrzecki, M .; Wierczinski, B .; Якушев А .; Еремин, А. (2006). "Дважды магическое ядро 108270Hs162". Письма с физическими проверками. 97 (24): 242501. Bibcode:2006ПхРвЛ..97х2501Д. Дои:10.1103 / PhysRevLett.97.242501. PMID  17280272.
  17. ^ 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. Дои:10.7566 / JPSJ.82.014201.
  18. ^ Херрманн, Ричард (2010). «Более многомерные группы смешанного дробного вращения как основа динамических симметрий, порождающих спектр деформированного осциллятора Нильссона». Physica A. 389 (4): 693–704. arXiv:0806.2300. Bibcode:2010PhyA..389..693H. Дои:10.1016 / j.physa.2009.11.016.
  19. ^ Херрманн, Ричард (2010). «Дробный фазовый переход в металлических кластерах среднего размера и некоторые замечания о магических числах в гравитационно и слабо связанных кластерах». Physica A. 389 (16): 3307–3315. arXiv:0907.1953. Bibcode:2010PhyA..389.3307H. Дои:10.1016 / j.physa.2010.03.033.

внешняя ссылка