Группа ученых Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ 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 высокоинтенсивных 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».

Детали исследования представили сами ученые.

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

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 [1,2], показанного на Рис. 1, и широкого набора детектирующих сборок наша группа за последние годы значительно продвинулась в изучении свойств распада ядер из указанной области.

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

Для сильно нейтронодефицитного изотопа ²⁴⁹No, впервые синтезированного в эксперименте на сепараторе SHELS в 2020 году [3], были измерены период полураспада (T1/2 = 38,1±2,5 мс), энергия α-частиц (Eα = 9129 кэВ), оценена вероятность спонтанного деления (bSF ≤ 0,23 %), схема распада представлена на Рис. 2.

Для ^252,254No [4] и ²⁵⁴Rf [5] изучались характеристики спонтанного деления, такие как ТКЕ и выход мгновенных нейтронов. Для ²⁵⁴No и ²⁵⁴Rf 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 ²⁵²No на новой детектирующей системе SFiNX [7] нейтронные выходы измерены с рекордной точностью. Результаты измерений и сравнение с теоретическими расчетами приводятся в Таблице 1.

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

Ядро	Расчетное среднее число нейтронов на деление1	Измеренное значение ср. числа нейтронов	Дисперсия распределения нейтронов по множественностям2
254Rf	4.7	3.87±0.34	3.4
254No	4.6	4.88±0.53	2.0
252No	4.3	4.25±0.09	2.2
248Cm	3.1	3.13±0.01	1.2

1) Расчет в усовершенствованной модели «точки разрыва» A. V. Andreev, Eur. Phys. J. A 30, (2006).
2) Дисперсия рассчитывалась с использованием метода статистической регуляризации, процедура описывается в работе [6].

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 ²⁵⁶No 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 ²⁵⁷Rf [10] обнаружено аналогичное состояние при энергии уровня всего 75 кэВ выше основного состояния.

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

Наблюдаемые [11] детали распада 3го высокоспинового К-изомерного состояния при энергии возбуждения выше 1 МэВ позволили выявить структуру состояния, соответствующего короткоживущей спонтанно-делящейся активности ²⁵³Rf, сопоставив отмеченному одно-квазичастичную нейтронному состоянию конфигурацию 7/2+[624]. Кроме того, впервые был зарегистрирован α-распад этого ядра (bα=17±6 %), приводящий к образованию ранее полученного изотопа ²⁴⁹No [3], цепочка распада приведена на Рис. 3 (a).

Такие результаты расширяют представление о поведении ядерной материи в области нейтронодефицитных 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.

Источник: ОИЯИ.