Indfangede elektroner ophidser kerner til tilstande med højere energi

For første gang, fysikere fra US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory og deres samarbejdspartnere, ledet af et team fra U.S. Army Research Laboratory, demonstreret en langteoretiseret atomvirkning. Dette forskud tester teoretiske modeller, der beskriver, hvordan nukleare og atomiske områder interagerer og kan også give ny indsigt i, hvordan stjerneelementer skabes.

Fysikere forudsagde først effekten, kaldet nuklear excitation ved elektronfangst (NEEC), for over 40 år siden. Men forskere havde ikke set det før nu. Brug af Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS), og Gammasphere, et kraftigt gammastrålespektrometer, forskerne skabte de rigtige betingelser for at forårsage og få øje på adfærden.

NEEC -effekten opstår, når et ladet atom fanger en elektron, at give atomets kerne nok energi til at hoppe til en højere ophidset tilstand.

En ophidset kerne forbliver i hver energitilstand et stykke tid, før den falder ned i tilstanden under den, afgivende energi i form af gammastråler. Disse ophidsede stater varer typisk meget mindre end en milliarddel af et sekund, men i nogle sjældne tilfælde, de kan leve langt længere, selv i millioner af gange universets alder.

De længere levetidstilstande kaldes isomerer, og for at observere NEEC -effekten, forskerne producerede en isomer med en halveringstid på cirka syv timer. Med andre ord, efter syv timers eksisterende i det isomere energiniveau, omkring halvdelen af ​​kernerne af denne type vil forfalde.

Forskerne valgte at producere denne kerne, hedder ⁹³ Mo, en isotop af molybdæn, på grund af dets unikke arrangement af energiniveauer. "Der er et tilladt energiniveau ikke langt over isomertilstanden, "sagde hærens forskningslaboratoriums Chris Chiara, undersøgelsens hovedforsker. "Under normale omstændigheder, isomeren vil forfalde naturligt efter cirka syv timer, men hvis der opstår NEEC, kernen exciteres ud af isomeren til den lidt højere tilstand. Denne tilstand henfalder derefter hurtigt til en tilstand under isomeren, udsender gammastråler, der har forskellige energier, som vi kan lede efter. "

At lave ⁹³ Mo, forskerne brugte ATLAS, en DOE Office of Science brugerfacilitet, at accelerere en ionstråle mod atomerne i en målfolie, hvor de to kerner smeltede sammen. Disse reaktioner dannede sig ⁹³ Mo i en meget begejstret tilstand i midten af ​​Gammasfæren, som ventede på at opdage tegn på effekten i form af gammastråler.

Som den ⁹³ Mo -atomer bevæger sig gennem målmaterialet, de støder på atomer, der bremser dem og fjerner dem fra elektroner, sætte dem i en højladet tilstand. Elektroner fra målatomerne fylder derefter de ledige stillinger i ⁹³ Mo, og hvis elektronerne har den rigtige energi før indfangningen, de kan ophidse kernen til den næsthøjeste tilstand. Når denne tilstand forfalder, kernen frigiver en gammastråle, der kan spores tilbage til NEEC -reaktionen.

Målet, lavet af ATLASs interne målproducent, John Greene, spillede en afgørende rolle i opdagelsen af ​​NEEC. Greene var i stand til at arbejde i farten, tilpasning af målet, da forskerne lærte mere om ⁹³ Mo -kerne. Med alt på plads, holdet begyndte at indsamle data.

"Vi opdagede gammastråler fra disse reaktioner i løbet af det tredages eksperiment, og vi samlede i alt otte milliarder begivenheder, "sagde Mike Carpenter, en gruppeleder i Argonne med ansvar for Gammasphere. "Fra disse begivenheder, vi var i stand til at identificere omkring 500 gammastråler, der blev udsendt under forfaldet af ⁹³ Mo, der ikke var blevet frigivet, hvis det ikke var for NEEC. "

Kraften og følsomheden i Gammasphere var afgørende for forsøgets succes. "Vi brugte en ny digital Gammasphere -tilstand, hvilket tillod os at køre med en hastighed omkring fem gange højere end det ville have været muligt med det ældre analoge system, "sagde Chiara. Men det var ikke kun hardware på ATLAS, der var vigtigt." Som eksperter inden for gammastrålespektroskopi, Argonne -personalet yder uvurderlig videnskabelig og teknisk support, " han tilføjede.

Holdets succes kan føre til fremskridt inden for astronomi og kosmologi, da det kan forbedre nøjagtigheden af ​​modeller, forskere bruger til at måle, hvordan stjerner dannes. Grundmængderne i en stjerne afhænger i høj grad af kernernes struktur og adfærd. Over lange perioder, og med et stort antal atomer, der interagerer, overlevelse - eller ødelæggelse - af specifikke isomerer kan have en kumulativ indflydelse. At tage NEEC -effekten i betragtning kan forbedre vores forståelse af, hvad stjerner er lavet af, og hvordan de udvikler sig.

Forskere ved Army Research Laboratory er også interesserede i mulige fremtidige applikationer til kontrolleret frigivelse af atomkraft fra isomerer via NEEC -effekten. Hvis forskere og ingeniører kunne udnytte denne energi, det kan hjælpe med at udvikle strømkilder med 100, 000 gange større energi pr. Masseenhed end kemiske batterier.

Resultaterne af eksperimentet blev offentliggjort i et papir med titlen "Isomer -udtømning som eksperimentelt bevis på nuklear excitation ved elektronfangst, "den 8. februar i Natur .