Maten en vormen van kernen met meer dan 100 protonen waren tot nu toe experimenteel ontoegankelijk. Laserspectroscopie is een gevestigde techniek voor het meten van fundamentele eigenschappen van exotische atomen en hun kernen. Voor de eerste keer, deze techniek werd nu uitgebreid om de optische excitatie van atomaire niveaus nauwkeurig te meten in de atomaire schaal van drie isotopen van het zware element nobelium, die 102 protonen in hun kernen bevatten en niet van nature voorkomen. Dit werd gemeld door een internationaal team van wetenschappers van GSI Helmholtzentrum für Schwerionenforschung, Johannes Gutenberg-universiteit Mainz (JGU), het Helmholtz Instituut Mainz (HIM), TU Darmstadt, KU Leuven in België, de Universiteit van Liverpool in het VK en TRIUMF in Vancouver, Canada. Kernen van zware elementen kunnen in kleine hoeveelheden van enkele atomen per seconde worden geproduceerd in fusiereacties met behulp van krachtige deeltjesversnellers. De verkregen resultaten worden goed beschreven door nucleaire modellen, die suggereren dat de kernen een belachtige structuur hebben met een lagere dichtheid in hun midden dan aan hun oppervlak. De resultaten zijn gepubliceerd in een recent artikel in Fysieke beoordelingsbrieven .

Atomen bestaan ​​uit een positief geladen kern omgeven door een elektronenschil. De binnenste elektronen dringen het volume van de kern binnen en dus worden energieën op atomair niveau beïnvloed door de grootte en vorm van de atoomkern. Een verschil in grootte van twee verschillende atoomkernen resulteert, bijvoorbeeld, van een ander aantal neutronen resulteert in een kleine verschuiving van elektronische energieniveaus. Nauwkeurige metingen van deze energieën zijn mogelijk met behulp van laserlicht. Energieverschuivingen worden opgespoord door de frequentie te variëren en dienovereenkomstig de kleur van het licht dat nodig is om elektronen naar hogere energieniveaus te exciteren. Tot dusver, deze methode kon alleen worden toegepast op isotopen van lichtere elementen die met grotere productiesnelheden worden geproduceerd en waarvan de atomaire structuur al bekend was uit experimenten met overvloedige langlevende of stabiele isotopen. Kernen van elementen boven fermium (Fm, Z=100) kan bij fusiereacties in minieme hoeveelheden van enkele atomen per seconde worden geproduceerd en bestaat over het algemeen slechts voor maximaal enkele seconden. Daarom, hun atomaire structuur was tot nu toe niet toegankelijk met laserspectroscopische methoden.

In de huidige experimenten nobelium-isotopen werden geproduceerd door fusie van calciumionen met lood bij het snelheidsfilter SHIP in de versnellerfaciliteit van GSI. Om laserspectroscopie mogelijk te maken, de hoogenergetische nobelium-atomen werden gestopt in argongas. De resultaten zijn gebaseerd op een eerder experiment dat ook bij GSI is uitgevoerd, het verkennen van de atomaire overgangen van nobelium (No). Het scheikundige element met atoomnummer 102 werd ongeveer 60 jaar geleden ontdekt. Het recente experiment onderzocht de isotopen No-254, Nee-253, en nr.-252, die verschillen in het aantal samenstellende neutronen in hun kernen, met laserspectroscopie. De voor het experiment beschikbare snelheden bereikten waarden van minder dan één ion per seconde voor de isotoop No-252.

Uit de metingen van de excitatiefrequentie voor de individuele isotopen, de kleurverschuiving van het benodigde laserlicht werd bepaald voor No-252 en No-254. Voor nr.-253, de fragmentatie van de lijn in verschillende hyperfijne componenten veroorzaakt door het enkele ongepaarde oneven neutron werd ook opgelost. De afmetingen en de vormen van de atoomkernen werden afgeleid uit theoretische berekeningen van de atomaire structuur van nobelium, die werden uitgevoerd in samenwerking met wetenschappers van het Helmholtz Instituut Jena in Duitsland, de Rijksuniversiteit Groningen in Nederland, en de Universiteit van New South Wales in Sydney, Australië. De resultaten bevestigen dat de nobelium-isotopen niet bolvormig zijn, maar vervormd zijn als een American football. De gemeten verandering in grootte komt overeen met berekeningen van nucleaire modellen die zijn uitgevoerd door wetenschappers van GSI en van de Michigan State University in de VS. Deze berekeningen voorspellen dat de bestudeerde kernen een lagere ladingsdichtheid in hun centrum hebben dan aan hun oppervlak.

Dankzij deze baanbrekende studies, verdere zware nucliden zullen toegankelijk zijn voor laserspectroscopische technieken, waardoor een systematisch onderzoek naar veranderingen in grootte en vorm in het gebied van zware kernen mogelijk is. Deze experimenten zijn tot nu toe alleen mogelijk bij GSI en zorgen voor een uniek diepgaand begrip van de atomaire en nucleaire structuur van de zwaarste elementen. De resultaten spelen ook een rol voor de toekomstige faciliteit FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), die momenteel in aanbouw is bij GSI. Dezelfde technieken en methoden zouden ook kunnen worden toegepast in de energiezuinige tak van de superfragmentscheider van FAIR.