Den dobbelt magiske kerne af bly-208-den snurrer, selvom det ikke burde

Forskere forestiller sig generelt atomkerner er mere eller mindre sfæriske klynger af protoner og neutroner, men altid relativt kaotisk. Eksperimenter på Argonne National Laboratory, inspireret af fysikere fra Institute of Nuclear Physics fra det polske videnskabsakademi i Krakow, forsøger at verificere denne simple model. For at implementere en astronomisk analogi, i så meget som størstedelen af ​​kernerne i kontur ligner stenede genstande som måner eller asteroider, derefter ligner kernerne af bly-208 under visse betingelser planeter omgivet af en tæt atmosfære, der kan bevæge sig rundt om en stiv kerne.

I et dusin eller så år, fysikere fra USA og Polen har undersøgt egenskaber ved kernerne af bly-208 atomer. En nylig offentliggjort analyse, der opsummerer eksperimenterne udført på ANL ved hjælp af ATLAS -superledende accelerator og Gammasphere -gammastråldetektoren, har frembragt interessante konklusioner. Det viser sig, at under visse betingelser, ny, relativt stabile energitilstande, der ikke er forudsagt af teori, produceres i bly-208 kerner. Hvad mere er, der er indikationer, der tyder på, at sådanne kerner udviser en tidligere ukendt struktur af en kollektiv karakter.

"Atomkerner kan blive begejstrede for en række forskellige energitilstande, herunder dem, hvor de snurrer hurtigt. Imidlertid, ikke alle kerner i sådanne tilstande skal faktisk spinde, "siger prof. Rafal Broda (IFJ PAN), den første forfatter, papiret udgav i Fysisk gennemgang C . "Kernen i bly-208 består af 82 protoner og 126 neutroner og, med en meget god tilnærmelse, kan betragtes som sfærisk. Når vi bruger kvantemekaniske ligninger til at beskrive kerner med denne form, det bliver meningsløst at diskutere kernens spinding - positionerne i forskellige faser af spin kan ikke skelnes, så der er ingen ændringer i energi. Derfor, det antages, at sfæriske kerner ikke spinder, og den spin-relaterede fysiske størrelse-kernens spin-stammer helt fra flere koblede nukleoner, der bevæger sig rundt i deres kredsløb. I mellemtiden, vores forskning viser, at i kernerne af bly-208, observeres en lang række centrifugeringsværdier, op til høj-spin-tilstande, en sekvens af tilstande, der kan tolkes som relateret til kollektivt spin. $ 64, 000 spørgsmål, derefter, er 'Hvad er det, der snurrer i en sådan kerne?' "

I moderne fysik, strukturen af ​​hele atomer er beskrevet ved hjælp af en skalmodel. Dette forudsætter, at elektroner, bærer en negativ elektrisk ladning, bevæge sig på betydelige afstande omkring en positivt ladet, praktisk talt punktere kerne. Imidlertid, sandsynligheden for at finde en elektron er kun høj i visse områder, hvor elektronenergien forudsætter strengt definerede værdier. Kernen i atomet er derfor omgivet af en rumlig struktur dannet af et mindre eller større antal energiske skaller. Hver skal har en vis maksimal kapacitet, og hvis antallet af elektroner overstiger denne kapacitet, de overskydende elektroner skal overgå til den næste skal, længere væk fra kernen.

Når den yderste elektronskal bliver fyldt med elektroner, atomet er tilbageholdende med at reagere med andre atomer eller molekyler. I kemi, sådanne elementer kaldes ædelgasser på grund af deres særlige stabilitet og mangel på kemisk aktivitet.

Atomkerner er meget mere komplekse objekter end atomer behandlet som en punkteret positiv ladning omgivet af en gruppe fjerne elektroner. Nukleoner, eller protoner og neutroner, der udgør kernen, har masser, der er tusinder af gange større end elektronen, og derudover alle partiklerne er tæt sammen og indgår i mange nukleare og elektromagnetiske interaktioner. Derfor, det var en stor overraskelse for fysikere at opdage, at skalmodellen også fungerer for atomkerner. Imidlertid, situationen her er mere interessant, fordi neutronerne og protonerne danner deres egne skaller i kernerne, som er særlig stabile for antallet af nukleoner, der er kendt som magiske tal. Fysikere kalder kerner med fuldt udfyldte proton- og neutronskaller dobbelt magi. Lead-208 er unik i denne gruppe, fordi det er den mest massive dobbelt magiske kerne.

Egenskaberne ved bly-208 kerner i lavspindede tilstande er ganske velkendte, men hvad angår high-spin-stater, dette var først tilfældet. Atomkerner i sådanne tilstande produceres ved fusionsprocessen, der finder sted i kollisioner, der opstår, når et mål fremstillet af et passende valgt materiale bombarderes med matchede partikler. Desværre, der er ingen partikel-mål-kombination, der er i stand til at producere bly-208 kerner i højspin-tilstande. Det er derfor i tre årtier, Krakow -gruppen ledet af prof. Broda har arbejdet med brugen af ​​dybe uelastiske kollisioner for at studere kerner, der er utilgængelige i fusionsprocesser. Ved sammenstød af denne art, de bombarderende kerner interagerer med målkernerne, men fusioner ikke med dem.

"I en høj-spin-tilstand-virkningen af ​​en dyb uelastisk kollision-er kernen spændt og forsøger at vende tilbage til den laveste energitilstand. Den slipper af med sit overskud i flere til et par dusin faser, hver udsender gammastråling med en energikarakteristik for dens overgang. Ved at analysere energien af ​​denne stråling, vi er i stand til at få mange oplysninger om atomkernenes struktur og de processer, der finder sted i dem, "forklarer Dr. Lukasz Iskra (IFJ PAN).

Den seneste analyse anvender målinger foretaget på ANL sammen med professor Robert Janssens 'gruppe. I disse forsøg, bly-208 eller uran-238 mål blev bombarderet med ioner af bly-208, selen-82, germanium-76, nikkel-64 eller calcium-48. Gammastrålingen blev registreret af en Gammasphere -detektor, bestående af 108 germaniumdetektorer af høj kvalitet (dette spektakulære instrument kan ses, blandt andre, i filmen Hulken ).

Til forskernes overraskelse, den seneste analyse resulterede i at detektere strukturer og fænomener i bly-208 kerner, der ikke var forudset af den nuværende teori. Mange nye energistater blev observeret, og tre viste sig at være isomertilstande, og dermed meget mere stabil end andre. I normale tilstande, kernen forekommer i picosekunder, der henviser til, at i en af ​​de isomere tilstande, kernen blev opdaget i op til 60 nanosekunder (milliarder af et sekund) - det vil sige, tusinde gange længere.

Af størst interesse var resultaterne, der tyder på kollektivt spin i en kerne, der er sfærisk, og derfor ikke skal dreje, ifølge kvantemekanik. Forskere antager, at ved høje spins, en stiv kerne dannes i kernen i bly-208; den næsthøjeste grundmasse er den dobbelt magiske kerne, dvs. tin-132. Det ser ud til, at denne kerne ikke drejer rundt, men det ydre lag dannet af de andre 76 nukleoner roterer.

"Begyndende med visse high-spin-tilstande, bly-208-kernen ophører med at være et homogent stift objekt, såsom, for eksempel, den geologisk næsten døde måne. En bedre astronomisk analogi ville være en stenet krop med en meget tæt atmosfære, men ikke så rolig som Venus eller Titan. Denne atmosfære skal bevæge sig hurtigt over overfladen, så det kunne være som en global orkan, "siger prof. Broda. Denne nye model vil sætte teoretikere i stand til at inkorporere yderligere fænomener og øge præcisionen af ​​dens forudsigelser.