Onderzoekers van het Instituut voor Kern- en Stralingsfysica in België en de Universiteit van Manchester, in samenwerking met andere instituten wereldwijd, hebben onlangs een onderzoek uitgevoerd gericht op het meten van de grootte van de kern (d.w.z. kernladingsstraal) in neutronenrijke koperisotopen. hun papier, gepubliceerd in Natuurfysica , presenteert waarnemingen van een onderscheidend en interessant oneven-even duizelingwekkend patroon in de grootte van de kernen van deze isotopen.

"Het oneven-even duizelingwekkende effect dat we waarnamen, waar de kern met een oneven aantal neutronen meestal iets kleiner is dan hun even neutronenburen, min of meer constant is in de meeste isotopenketens, "Ruben Pieter de Groote, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "In koper, echter, we merkten een verhoogde oneven-even spreiding op voor isotopen met ongeveer 40 neutronen, die toen leek te verdwijnen bij het naderen van 50 neutronen."

Een grondig begrip krijgen van het oneven-even duizelingwekkende patroon dat door De Groote en zijn collega's wordt waargenomen, is verre van een gemakkelijke zoektocht, verder gecompliceerd door het feit dat dit patroon neutronenafhankelijk bleek te zijn, wat enigszins onverwacht was. Om de mogelijke redenen achter het waargenomen effect te onderzoeken, de onderzoekers voerden een reeks geavanceerde berekeningen uit op basis van de nucleaire theorie en vergeleken de resultaten van deze berekeningen met de experimentele gegevens die ze verzamelden.

"De moeilijkste isotoop om metingen voor uit te voeren, ⁷⁸ Cu, heeft 29 protonen en 49 neutronen, waardoor het een zeer gecompliceerde kern is om te bestuderen, zowel experimenteel als computationeel, "zei de Groote. "Echter, we vonden dat ons experimentele resultaat belangrijk genoeg was om twee theoriemedewerkers te overtuigen om twee nogal verschillende theoretische methoden te volgen, één gebaseerd op dichtheidsfunctionaliteiten en de andere gebaseerd op de valentie-ruimte in-medium gelijkenis renormalisatiegroepmethode, die een 'ab-initio' beschrijving geeft voor middelzware kernen."

De twee theoretische benaderingen die de onderzoekers in hun onderzoek gebruikten, bleken nuttig om verschillende aspecten van de verzamelde metingen te verklaren. Terwijl berekeningen op basis van dichtheidsfunctionele theorie bulkeigenschappen (bijvoorbeeld de totale nucleaire afmetingen) voorspelden met een opmerkelijk hoge nauwkeurigheid, de methode geworteld in valentie-ruimte in-medium gelijkenis renormalisatie groepentheorie gaf een gedetailleerde beschrijving van de algemene trend voor het oneven-even duizelingwekkende effect, omdat het rekening hield met extra correlaties.

"Onze berekeningen toonden aan dat beide theorieën essentiële ingrediënten bevatten voor het beschrijven van de nucleaire structuur, maar dat er nog werk aan de winkel is - we hebben nog steeds geen enkele aanpak die alles kan, ’ legde de Groote uit.

In hun recente studie, de onderzoekers richtten zich op koperisotopen met een zeer korte levensduur. Bijvoorbeeld, de levensduur van ⁷⁸ Cu, een van de in hun werk onderzochte isotopen, is van 300 milliseconden, wat betekent dat de isotoop een seconde nadat deze is geproduceerd waarschijnlijk al is verdwenen. Ze moesten dus technieken gebruiken waarmee ze heel snel isotopen konden produceren en onderzoeken, voordat ze vergaan.

"Wat erg belangrijk is bij het bestuderen van radioactieve isotopen, is dat de methoden snel en efficiënt zijn - er is geen tijd om een ​​groot aantal isotopen te verzamelen, om ze later rustig te bestuderen, "De Groote zei. "Metingen moeten 'on-line' worden uitgevoerd; onze meetinstrumenten en detectoren moeten gekoppeld zijn aan de productielocatie en perfect synchroon werken."

De Groote en zijn collega's gebruikten een deeltjesversneller die bekend staat als de CERN PS-Booster, die protonen met een zeer hoge energie kan produceren. Deze protonen werden naar de ISOLDE-faciliteit in CERN geleid, waar ze botsten op een stuk uranium, verschillende kernreacties induceren.

De kernreacties die uit dit proces voortkwamen, leidden tot de productie van isotopen over het hele spectrum, variërend van lichte heliumatomen tot zeer zware elementen, zoals radium. De koperisotopen die de onderzoekers wilden bestuderen, behoorden tot deze, maar ze moesten worden gewonnen uit het grote scala aan isotopen en gezuiverd.

"Het uranium werd door het ISOLDE-team opgewarmd tot ongeveer 2000 graden Celsius. zodat deze nieuw geproduceerde isotopen niet blijven hangen, maar ontsnapte in plaats daarvan naar een ionenbron:hier, ze werden omgezet in geladen ionen, " legde de Groote uit. "Dit is een cruciale stap, omdat het ons in staat stelt om elektrostatische en magnetische technieken te gebruiken om alle isotopen te versnellen, selecteer degene die je interesseert, en begeleid ze naar verschillende meetopstellingen in de ISOLDE-faciliteit."

Om de grootte van de koperisotopen te meten, de onderzoekers verlichtten ze met twee afzonderlijke laserstralen. Door de frequentie van de eerste laser precies goed af te stemmen, ze waren in staat om een ​​elektron te exciteren dat aan de kern is gebonden. De tweede laserstraal werd vervolgens gebruikt om dit geëxciteerde elektron af te 'pellen'.

"Door het aantal geladen deeltjes te meten dat ontstond toen we de frequentie van de laser veranderden, konden we de exacte absorptie-energie van de koperatomen bepalen, zei de Groote. "Deze absorptie-energie is direct gerelateerd aan de nucleaire afmetingen; de verschuiving in energie wordt de isotoopverschuiving genoemd - een kleine verandering van kleur van slechts 1 deel op een miljoen; niets dat het oog kon zien, maar iets waar ons systeem gevoelig voor is."

De meettechniek die door De Groote en zijn collega's wordt gebruikt, bekend als collineaire resonantie-ionisatiespectroscopie, is een zeer efficiënt en nauwkeurig instrument voor het meten van verschuivingen in energie in atomen. Hun experimentele opstelling is zeer geavanceerd, en het vertrouwt op al zijn verschillende componenten (d.w.z. een grote deeltjesversneller, ultrastabiele lasersystemen, zeer nauwkeurige meetinstrumenten voor laserfrequentie, ionenvallen, ultrahoge vacuümpompen en hoogspanningsvoedingen, enz.) om in symfonie te opereren.

In hun studie hebben de onderzoekers gebruikten het om 'isotoopverschuivingen' in 14 verschillende koperisotopen te identificeren. Door deze verschuivingen te meten, konden ze uiteindelijk veranderingen in hun grootte vaststellen, als functie van het aantal neutronen in hun kern.

"De meest uitdagende isotoop werd slechts geproduceerd met een snelheid van 20 ionen per seconde, en in totaal slechts ongeveer 200, 000 ionen werden gebruikt om de meting uit te voeren, " zei de Groote. "De totale massa van dit monster, als je het allemaal zou kunnen verzamelen voordat het radioactief vergaat, zou 0.00000000003 microgram zijn - vergeleken met typische objecten waarmee we gewend zijn om te communiceren, dit is een ongelooflijk kleine hoeveelheid spullen."

Met de techniek van De Groote en zijn collega's kunnen onderzoekers isotopen bestuderen die momenteel alleen in kleine hoeveelheden kunnen worden geproduceerd en die ook veel efficiënter zijn dan andere zeer nauwkeurige meetinstrumenten die in het verleden zijn ontwikkeld. In de toekomst, hun methode zou een aantal belangrijke implicaties kunnen hebben voor onderzoek naar nucleaire structuren, omdat veel interessante isotopen onstabiel zijn en dus alleen in kleine hoeveelheden kunnen worden geproduceerd.

"Onze resultaten laten zien dat veel van deze kernen nu kunnen worden bestudeerd, "Verdere verbeteringen van onze methode zullen die grens nog verder verleggen", zegt de Groote. Vooral, onze techniek stelt ons nu in staat om kernen te benaderen waarvan wordt voorspeld dat ze worden geproduceerd in super- en kilonovae en die nog op aarde in het laboratorium moeten worden bestudeerd. evenzo, de theoretische instrumenten die werden ontwikkeld vertegenwoordigen ook belangrijke mijlpalen in de nucleaire theorie."

Naast de introductie van een nieuwe techniek voor het meten van de grootte van kernen in isotopen met een korte levensduur, de Groote en zijn collega's bewezen de effectiviteit van theoretische constructies op basis van dichtheidsfunctionaliteiten en de valentie-ruimte in-medium-overeenkomst renormalisatiegroepsmethode voor studies die de structuur van isotopen met onstabiele kernen onderzoeken. Hun studie werpt enig licht op de voor- en nadelen van deze theoretische kaders, die in toekomstige studies verder kunnen worden onderzocht.

"Voor het huidige onderzoek we hebben koper geplukt, omdat het 29 protonen heeft, " de Groote. "Dit maakt deze isotopen perfecte sondes om de onderliggende nikkel (28 protonen) kern te onderzoeken. ⁷⁸ Ni (28 protonen, 50 neutronen) wordt beschouwd als een dubbel magische kern. Er zijn maar heel weinig van deze dubbel-magische, gesloten schaalsystemen, en ze vormen de hoekstenen voor onderzoek naar nucleaire structuren, zoals de edelgassen voor de atoomfysica."

De Groote en zijn collega's werken momenteel aan een nieuwe studie gericht op neutronenrijke kaliumisotopen, die 19 protonen hebben en dus uitstekende sondes zijn van magische calciumisotopen (d.w.z. met 20 protonen). Ze hebben al de eerste berekeningen van de ladingsstralen van deze isotopen uitgevoerd en zijn nu van plan deze resultaten nader te onderzoeken.

"Op langere termijn een meetcampagne over indium- en tinisotopen, dicht bij de dubbele magie ¹⁰⁰ Sn en ¹³² Sn isotopen, was al begonnen, en zal de komende jaren worden voortgezet, " zegt de Groote. "Deze isotopen bevinden zich op de huidige grens voor nucleaire theorieën; experimentele en theoretische inspanningen vorderen dus mooi samen."

De Groote en zijn collega's zijn ook begonnen met het gebruik van dezelfde experimentele methode die in hun recente paper is geïntroduceerd om radioactieve moleculen te bestuderen. Bijvoorbeeld, ze hebben onlangs de allereerste spectroscopische studie van radiumfluoride afgerond, een molecuul dat een radioactief radiumatoom bevat.

"Omdat er geen stabiele radiumisotopen zijn, dit molecuul kon nooit eerder worden bestudeerd, " legde de Groote uit. "Dit is bijzonder spannend, omdat het misschien wel de sleutel is tot de volgende generatie van natuurkundig onderzoek dat verder gaat dan het standaardmodel."

© 2020 Wetenschap X Netwerk