Фізики з Єльського університету під керівництвом Девіда Мура (David C. Moore) зареєстрували одиничний альфа-розпад ядра через механічну віддачу джерела.
Уявіть, що ви дивитеся на крихітну кульку, яка левітує в повітрі завдяки лазеру, і раптом вона злегка здригається — це не вітер чи випадковість, а справжній розпад атомного ядра! Фізики з Єльського університету під керівництвом Девіда Мура (David C. Moore) саме так зареєстрували одиничний альфа-розпад ядра через механічну віддачу. Вони використали кремнієві мікросфери (маленькі кульки з кремнію) радіусом близько 1,5 мікрометра — це приблизно як товщина людського волоса, розділена на 50 частин. Ці сфери “плавають” у лазерному промені в умовах надвисокого вакууму, де тиск становить всього 10^-10 атмосфер — тобто, майже повна порожнеча, як у космосі. На поверхню сфер заздалегідь “впроваджували” ядра свинцю-212 (212Pb), які з часом розпадаються, випромінюючи альфа-частинки. Цей експеримент описаний у статті, опублікованій в журналі Physical Review Letters.
Чому це важливо? Просте пояснення ядерних розпадів
Точна реєстрація ядерних розпадів — це ключ до багатьох відкриттів у фізиці, техніці та медицині. Ядерний розпад — це коли нестабільне ядро атома “скидає” зайве, щоб стати стабільнішим, ніби перевантажений рюкзак, з якого викидають непотріб. Є різні типи розпаду, але давайте розберемо два основні — альфа- та бета-розпад — простими словами, щоб зрозуміти, як вони пов’язані з цим експериментом.
- Альфа-розпад (α-розпад): Уявіть ядро як великий м’яч, зроблений з протонів (позитивно заряджених частинок) і нейтронів (нейтральних). Якщо протонів забагато, ядро “відкидає” шматочок — альфа-частинку, яка є просто ядром гелію (два протони + два нейтрони). Це ніби викинути чотири цеглинки з переповненої стіни. Після цього ядро стає легшим на 4 частинки і змінює свій “хімічний тип” (наприклад, свинець-212 перетворюється на таліум-208). Альфа-частинки важкі, летять повільно, але сильно “б’ють” по всьому, що трапляється на шляху — їх зупинить навіть аркуш паперу. У експерименті саме альфа-розпад свинцю-212 викликав той “здриг”, бо частинка вилітає з великою силою, штовхаючи сферу в протилежний бік.
- Бета-розпад (β-розпад): Тут усе хитріше. Якщо в ядрі забагато нейтронів (або протонів), один з них перетворюється: нейтрон стає протоном, викидаючи електрон (β-частинку) і крихітну невидиму частинку — нейтрино. Це ніби алхімія: вуглець-14 стає азотом-14, бо число протонів зростає на 1, але загальна вага ядра не змінюється. Бета-частинки легкі, швидкі й проникають глибше — їх зупинить тонка металева пластина. А нейтрино? Воно майже не взаємодіє з нічим, ніби привид, і забирає частину енергії, тому стандартні детектори не бачать повну картину. У статті бета-розпад згадується як приклад проблеми: звичайні методи не ловлять нейтрино, тому енергія “губиться”. Але новий механічний спосіб може це виправити, бо фіксує не енергію, а поштовх від усіх частинок разом!
Зазвичай для виявлення розпадів використовують детектори, які ловлять блиск (сцинтиляцію), електричний заряд (іонізацію) чи тепло від частинок. Але якщо частинка “втекла” чи не взаємодіяла (як нейтрино в бета-розпаді), метод не працює. Тут на допомогу приходить механіка!
Як проводили експеримент: крок за кроком
Експеримент базується на простому законі фізики — збереженні імпульсу. Якщо ядро в спокої, то після розпаду воно “відштовхується” назад, ніби стріляє з гармати. Імпульс ядра буде рівним і протилежним сумі імпульсів усіх вилетівших частинок (альфа-частинка + дочірнє ядро). Раніше це було важко виміряти, бо поштовх мікроскопічний, але з левітуючими сферами стало можливо.
- Підготовка сфер: Вчені взяли крихітні кремнієві кульки (мікросфери) і помістили їх у вакуумну камеру. Лазер тримає сферу в повітрі, ніби магніт — це називається оптична левітація. Сфера не торкається нічого, тому будь-який поштовх видно одразу.
- Імплантація ядер: Спочатку на сферу “напилювали” іони полонію-216 (216Po+), які утворюються від розпаду радону. Під електричним полем ці іони “прилипають” до поверхні і швидко розпадаються до свинцю-212, який “вгризається” на глибину до 60 нанометрів (це як товщина кількох атомів). Тепер сфера — це міні-лабораторія з радіоактивними ядрами всередині.
- Розпад і виявлення: Коли свинець-212 розпадається (альфа-розпад: викид альфа-частинки), сфера отримує поштовх назад. Вчені вимірюють, як сфера відхиляється від центру лазерного променя. Щоб переконатися, що це саме розпад, а не шум, вони стежать за зміною електричного заряду сфери — після розпаду заряд змінюється, бо утворюється іон. У результаті зареєстрували чітке відхилення з відношенням сигналу до шуму близько 10 (тобто, сигнал в 10 разів сильніший за шум). Це як чути шепіт у тихій кімнаті!
Вчені кажуть, що якщо перейти до ще менших сфер (масою кілька фемтограм — це як вага однієї бактерії), сигнал стане в 100 разів чіткішим. Це відкриває двері для нових відкриттів.
Перспективи: від альфа до бета і далі
Хоча в цьому експерименті фокус на альфа-розпаді (з зарядженими частинками), метод підходить і для нейтральних, як нейтрино в бета-розпаді. Уявіть: ми зможемо “відчути” нейтрино через поштовх, а не тільки через рідкісні взаємодії! Це допоможе в пошуку темної матерії, вивченні ядерних реакцій у зірках чи навіть у медицині — для точнішого дозування радіоізотопів у лікуванні раку.
Цей експеримент показує, як проста ідея (виміряти поштовх) може революціонізувати науку. Альфа-розпад — як потужний постріл, бета-розпад — як хитрий трюк з привидом, але тепер ми можемо “бачити” обидва механічно!
#Фізики #розпад #ядра #механічно #альфа #бета
