Wetenschappers stellen zich over het algemeen voor dat atoomkernen min of meer bolvormige clusters van protonen en neutronen zijn, maar altijd relatief chaotisch. Experimenten in het Argonne National Laboratory, geïnspireerd door natuurkundigen van het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen in Krakau, proberen dit eenvoudige model te verifiëren. Om een ​​astronomische analogie te gebruiken, voor zover de meeste kernen qua omtrek vergelijkbaar zijn met rotsachtige objecten zoals manen of asteroïden, dan lijken de kernen van lood-208 onder bepaalde omstandigheden op planeten omgeven door een dichte atmosfeer die rond een starre kern kan bewegen.

Sinds een jaar of tien, natuurkundigen uit de VS en Polen hebben de eigenschappen van de kernen van lood-208-atomen onderzocht. Een recent gepubliceerde analyse die de experimenten samenvat die zijn uitgevoerd bij ANL met behulp van de ATLAS supergeleidende versneller en de Gammasphere gammastraaldetector heeft interessante conclusies opgeleverd. Het blijkt dat onder bepaalde voorwaarden, nieuwe, relatief stabiele energietoestanden die niet door de theorie worden voorspeld, worden geproduceerd in lood-208 kernen. Bovendien, er zijn aanwijzingen dat dergelijke kernen een voorheen niet-herkende structuur van collectieve aard vertonen.

"Atoomkernen kunnen worden opgewonden tot verschillende energietoestanden, inclusief die waarin ze snel ronddraaien. Echter, niet alle kernen in dergelijke toestanden moeten echt draaien, " zegt prof. Rafal Broda (IFJ PAN), de eerste auteur het artikel gepubliceerd in Fysieke beoordeling C . "De kern van lood-208 bestaat uit 82 protonen en 126 neutronen en, met een zeer goede benadering, bolvormig kan worden beschouwd. Wanneer we kwantummechanica-vergelijkingen gebruiken om kernen van deze vorm te beschrijven, het bespreken van het draaien van de kern wordt zinloos - de posities in verschillende fasen van spin zijn niet te onderscheiden, dus er zijn geen veranderingen in energie. Daarom, wordt aangenomen dat sferische kernen niet draaien, en de aan spin gerelateerde fysieke grootte - de spin van de kern - is volledig afgeleid van verschillende gekoppelde nucleonen die rond hun banen bewegen. In de tussentijd, ons onderzoek toont aan dat in de kernen van lood-208, een breed scala aan spin-waarden wordt waargenomen, tot high-spin staten, een opeenvolging van toestanden die kan worden geïnterpreteerd als gerelateerd aan collectieve spin. de $64, 000 vraag, dan, is 'Wat is het dat in zo'n kern ronddraait?'"

In de moderne natuurkunde de structuur van hele atomen wordt beschreven met behulp van een schaalmodel. Dit veronderstelt dat elektronen, met een negatieve elektrische lading, over aanzienlijke afstanden bewegen rond een positief geladen, praktisch puntvormige kern. Echter, de kans op het vinden van een elektron is alleen hoog in bepaalde gebieden, waarbij de elektronenenergie strikt gedefinieerde waarden aanneemt. De kern in het atoom is daarom omgeven door een ruimtelijke structuur gevormd door een kleiner of groter aantal energetische schillen. Elke schaal heeft een bepaalde maximale capaciteit, en als het aantal elektronen deze capaciteit overschrijdt, de overtollige elektronen moeten overgaan naar de volgende schil, verder weg van de kern.

Wanneer de buitenste elektronenschil gevuld raakt met elektronen, het atoom reageert niet graag met andere atomen of moleculen. In de chemie, dergelijke elementen worden edelgassen genoemd vanwege hun bijzondere stabiliteit en gebrek aan chemische activiteit.

Atoomkernen zijn veel complexere objecten dan atomen die worden behandeld als een puntvormige positieve lading omringd door een groep verre elektronen. nucleonen, of de protonen en neutronen waaruit de kern bestaat, hebben massa's die duizenden keren groter zijn dan het elektron, en bovendien, alle deeltjes zijn dicht bij elkaar en gaan talrijke nucleaire en elektromagnetische interacties aan. Daarom, het was een grote verrassing voor natuurkundigen om te ontdekken dat het schaalmodel ook werkt voor atoomkernen. Echter, de situatie hier is interessanter, omdat de neutronen en protonen hun eigen schillen vormen in de kernen, die bijzonder stabiel zijn voor aantallen nucleonen die bekend staan ​​als magische getallen. Natuurkundigen noemen kernen met volledig gevulde proton- en neutronenschillen dubbel magisch. Lead-208 is uniek in deze groep omdat het de meest massieve dubbel magische kern is.

De eigenschappen van lood-208 kernen in lage spin-toestanden zijn vrij goed bekend, maar voor zover het staten met een hoge spin betreft, dit was tot voor kort niet het geval. Atoomkernen in dergelijke toestanden worden geproduceerd door het proces van fusie dat plaatsvindt in botsingen die optreden wanneer een doelwit gemaakt van een geschikt geselecteerd materiaal wordt gebombardeerd met op elkaar afgestemde deeltjes. Helaas, er is geen combinatie van deeltjes en doelwit die in staat is om lood-208-kernen te produceren in staten met een hoge spin. Dit is de reden waarom gedurende drie decennia, de Cracow-groep onder leiding van prof. Broda heeft gewerkt aan het gebruik van diepe inelastische botsingen om kernen te bestuderen die ontoegankelijk zijn in fusieprocessen. Bij dit soort botsingen de bombarderende kernen interageren met de doelkernen, maar versmelt niet met hen.

"In een high-spin-toestand - het effect van een diepe inelastische botsing - is de kern opgewonden en probeert hij terug te keren naar de laagste energietoestand. Hij verwijdert zijn overmaat in enkele tot enkele tientallen fasen, elk zendt gammastraling uit met een energiekarakteristiek voor zijn overgang. Door de energieën van deze straling te analyseren, we zijn in staat om veel informatie te verkrijgen over de structuur van atoomkernen en de processen die daarin plaatsvinden, " legt Dr. Lukasz Iskra (IFJ PAN) uit.

De laatste analyse maakt gebruik van metingen die bij het ANL zijn uitgevoerd samen met de groep van prof. Robert Janssens. Bij deze experimenten lood-208 of uranium-238 doelen werden gebombardeerd met ionen van lood-208, selenium-82, germanium-76, nikkel-64 of calcium-48. De gammastraling werd geregistreerd door een Gammasphere-detector, bestaande uit 108 hoogwaardige germaniumdetectoren (dit spectaculaire instrument is te zien, onder andere, in de film De Hulk ).

Tot verbazing van de onderzoekers de laatste analyse resulteerde in het detecteren van structuren en verschijnselen in lood-208-kernen die door de huidige theorie niet waren voorzien. Er werden veel nieuwe energietoestanden waargenomen, en drie bleken isomere toestanden te zijn, en dus veel stabieler dan andere. In normale toestanden, de kern vindt plaats voor picoseconden, terwijl in een van de isomere toestanden, de kern werd gedetecteerd gedurende maximaal 60 nanoseconden (miljardste van een seconde) - dat wil zeggen, duizend keer langer.

Het meest interessant waren de resultaten die collectieve spin suggereerden in een kern die bolvormig is, en mag daarom niet draaien, volgens de kwantummechanica. Onderzoekers nemen aan dat bij hoge spins, een stijve kern wordt gevormd in de kern van lood-208; de volgende hoogste elementaire massa is de dubbel magische kern, d.w.z. tin-132. Het lijkt erop dat deze kern niet draait, maar de buitenste laag gevormd door de andere 76 nucleonen roteert.

"Te beginnen met bepaalde staten met een hoge spin, de kern van lood-208 is niet langer een homogeen stijf object, zoals, bijvoorbeeld, de geologisch bijna dode maan. Een betere astronomische analogie zou een rotsachtig lichaam zijn met een zeer dichte atmosfeer, maar niet zo kalm als Venus of Titan. Deze atmosfeer zou snel over het oppervlak moeten bewegen, dus het zou kunnen zijn als een wereldwijde orkaan, ", zegt prof. Broda. Dit nieuwe model zal theoretici in staat stellen verdere verschijnselen op te nemen en de nauwkeurigheid van de voorspellingen te vergroten.