Лазерная спектроскопия впервые точно выявила форму ядра фермия-255, открыв новые возможности для поиска сверхтяжёлых элементов

Международная научная группа впервые с высокой точностью определила структуру ядра актинида фермия-255, подтвердив, что его ядро имеет выраженную вытянутую сфероидальную форму, напоминающую мяч для регби. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters и выполнено при сотрудничестве 18 организаций, включая Университет имени Иоганна Гутенберга в Майнце, Институт Гельмгольца в Майнце и Гётеборгский университет в Швеции. Результаты не только скорректировали ряд необоснованных значений ядерных свойств в прежних стандартных таблицах данных, но и предоставили ключевую экспериментальную проверку для современных теоретических моделей атомного ядра.

Фермий — это искусственно синтезированный тяжёлый элемент, не существующий в природе; фермий-255 содержит 100 протонов и 155 нейтронов, и его экспериментальное получение крайне сложно. Исследовательская группа реализовала сложную производственную цепочку, охватывающую несколько лет и ряд объектов: сначала в реакторе с высоким потоком нейтронов Окриджской национальной лаборатории в США проводилось многомесячное нейтронное облучение трансурановых материалов с получением эйнштейния-254; затем материал направлялся на переработку в Майнц, Германия, после чего передавался в Институт Лауэ-Ланжевена во Франции для дальнейшего облучения с целью получения эйнштейния-255. Период полураспада эйнштейния-255 составляет около 40 дней, и он непрерывно распадается с образованием фермия-255, обеспечивая образцы для последующих экспериментов.

На масс-сепараторе RISIKO Университета Майнца исследователи нагревали крайне малые образцы фермия до температуры около 1000 градусов Цельсия, вызывая испарение атомов, после чего облучали их настроенной лазерной системой на основе титан-сапфира с регулировкой частоты для селективного возбуждения и ионизации. Анализируя сверхтонкую структуру двух оптических переходов, группа реконструировала форму и магнитные свойства ядра по малому расщеплению электронных уровней. Поскольку внутренние электроны расположены близко к ядру, изменения их энергетических уровней зависят от размера, деформации и магнитного момента ядра, что делает высокоточную лазерную спектроскопию важным методом исследования редких тяжёлых ядер.

Исследование показало, что ядро фермия-255 не близко к сферической форме, а представляет собой сильно вытянутую деформированную структуру. В сочетании с передовыми атомными теоретическими расчётами Ягеллонского университета в Польше и соответствующих институтов в Майнце экспериментальные данные также дали новое значение магнитного дипольного момента, которое не совпадает со старыми значениями из ранее использовавшихся стандартных таблиц. Современные модели ядерной теории, разработанные французскими CEA Arpajon, IP2I Lyon и Дармштадтским техническим университетом в Германии, хорошо объясняют эти новые результаты измерений, что свидетельствует о приближении современных теоретических описаний деформации и взаимодействий тяжёлых ядер к реальной картине.

Важность этого достижения заключается в заполнении пробела в исследованиях ядерных свойств самых тяжёлых элементов. Форма тяжёлого атомного ядра тесно связана с его устойчивостью к спонтанному делению, которое является ключевым фактором, ограничивающим время существования элементов после урана. Прецизионные измерения таких крайне малых и короткоживущих тяжёлых ядер, как фермий-255, способствуют улучшению моделей ядерного деления, повышению точности прогнозирования времени жизни и стабильности неизвестных сверхтяжёлых элементов, а также обеспечат более надёжную экспериментальную основу для будущего исследования границ периодической таблицы элементов.