Радиоактивный распад с выделением протонов происходит очень редко. Ещё более редким является процесс, при котором испускаются два протона. Однако, если из ядра одновременно вылетает три протона, это становится уникальным событием. Именно так проявляет себя изотоп алюминий-20.
Радиоактивный распад — это базовый процесс в природе, в ходе которого нестабильное атомное ядро теряет свою энергию через излучение. Исследование механизмов ядерного распада критически важно для познания свойств атомных ядер. Экзотические режимы распада, например, протонное излучение, служат важными инструментами для изучения структуры ядер, которые находятся вдали от «долины стабильности».
В исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters 10 июля, ученые из Института современной физики (IMP) Китайской академии наук сообщили о первом наблюдении и спектроскопии алюминия-20, ранее неизвестного и нестабильного изотопа, который распадается посредством редкого процесса трехфазного распада — протонного излучения.
Алюминий обладает широкой линейкой изотопов. Самым лёгким считается 21Al с периодом полураспада 13 наносекунд. Самым тяжёлым является 43Al. Единственным стабильным изотопом является 27Al. Долговечный изотоп 26Al имеет период полураспада 72 тысячи лет, но на Земле встречается в крайне малых количествах.
Алюминий-20 — это самый лёгкий изотоп, известный на текущий момент. Он расположен за линией протонного потока и содержит на семь нейтронов меньше, чем стабильный изотоп алюминия. Применяя метод «распада в полёте» в сепараторе Центра исследований тяжелых ионов имени Гельмгольца в Дармштадте, Германия, исследователи измерили угловые корреляции продуктов распада 20Al и обнаружили ранее неизвестный тип ядра.
В результате тщательного анализа угловых корреляций исследователи установили, что в основном процессе атом 20Al сперва испускает один протон, превращаясь в Mg19. Затем происходит распад магния-19 с одновременным выделением двух протонов, в результате чего образуется изотоп неон-17. Он также недолговечен, но распадается по традиционной схеме с выделением бета- и альфа-частиц.
Исследователи отметили, что энергия распада основного состояния алюминия-20 значительно меньше, чем предсказывалось на основании изоспиновой симметрии. Это может свидетельствовать о её возможном нарушении в алюминии-20 и его «зеркале» неоне-20. Данный вывод подтверждается современными теоретическими расчётами, которые предсказывают, что спиновая четность основного состояния 20Al отличается от спиновой четности основного состояния 20Ne.
На сегодняшний день учеными было открыто более 3300 нуклидов, однако менее 300 из них стабильны и существуют в природе. Остальные — нестабильные нуклиды, которые подвержены мгновенному радиоактивному распаду. Распространенные режимы распада, такие как α–распад, β-распад, β+-распад, захват электронов, γ-излучение и деление, были открыты к середине 20-го века. За последние несколько десятилетий, благодаря быстрому прогрессу в области экспериментальных установок ядерной физики и технологий детекции короткоживущих изотопов, ученые обнаружили несколько экзотических режимов распада ядер, особенно у ядер с дефицитом нейтронов.
В 1970-х годах было открыто явление однопротонной радиоактивности, при котором ядра распадаются с излучением одного протона. В 21 веке была обнаружена двухпротонная радиоактивность при распаде некоторых ядер с очень низким содержанием нейтронов. В последние годы фиксировались ещё более редкие случаи распада, такие как испускание трех, четырех и даже пяти протонов в ходе быстротечной цепной реакции.