Undersøgelse af nobelium med laserlys

Størrelser og former af kerner med mere end 100 protoner var hidtil eksperimentelt utilgængelige. Laserspektroskopi er en etableret teknik til måling af eksotiske atomers grundlæggende egenskaber og deres kerner. For første gang, denne teknik blev nu udvidet til præcist at måle den optiske excitation af atomniveauer i atomskallen af ​​tre isotoper af det tunge element nobelium, som indeholder 102 protoner i deres kerner og ikke forekommer naturligt. Dette blev rapporteret af et internationalt team af forskere fra GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Johannes Gutenberg Universitet Mainz (JGU), Helmholtz Institute Mainz (HIM), TU Darmstadt, KU Leuven i Belgien, University of Liverpool i Storbritannien og TRIUMF i Vancouver, Canada. Kerner af tunge grundstoffer kan produceres i små mængder på få atomer pr. Sekund i fusionsreaktioner ved hjælp af kraftige partikelacceleratorer. De opnåede resultater er godt beskrevet af nukleare modeller, som tyder på, at kernerne har en bobellignende struktur med lavere densitet i midten end ved deres overflade. Resultaterne blev offentliggjort i en nylig artikel i Fysisk gennemgangsbreve .

Atomer består af en positivt ladet kerne omgivet af en elektronskal. De indre elektroner trænger ind i kernens volumen og dermed påvirkes atomniveauer af atomkernenes størrelse og form. En forskel i størrelse på to forskellige atomkerner resulterer, for eksempel, fra et andet antal neutroner resulterer i et lille skift af elektroniske energiniveauer. Præcise målinger af disse energier er mulige ved hjælp af laserlys. Energiskift spores ved at variere frekvensen og tilsvarende farven på det lys, der kræves for at excitere elektroner til højere energiniveauer. Indtil nu, denne metode kunne kun anvendes på isotoper af lettere elementer, der produceres ved større produktionshastigheder, og hvis atomstruktur allerede var kendt fra forsøg med rigelige langlivede eller stabile isotoper. Kerner af grundstoffer over fermium (Fm, Z =100) kan produceres i små mængder på få atomer pr. Sekund i fusionsreaktioner og eksisterer generelt kun i højst et par sekunder. Derfor, deres atomstruktur var hidtil ikke tilgængelig med laserspektroskopiske metoder.

I de nuværende forsøg, nobeliumisotoper blev produceret ved fusion af calciumioner med bly ved hastighedsfilteret SHIP på GSIs acceleratorfacilitet. For at aktivere laserspektroskopi, de højt energiske nobeliumatomer blev standset i argongas. Resultaterne er baseret på et foregående forsøg, der også blev udført på GSI, udforske de atomare overgange af nobelium (nej). Det kemiske element med atomnummer 102 blev opdaget for omkring 60 år siden. Det seneste forsøg undersøgte isotoper nr. 254, No-253, og nr. 252, der adskiller sig i antallet af neutroner i deres kerner, med laserspektroskopi. De tilgængelige satser for eksperimentet nåede værdier under en ion pr. Sekund for isotopen No-252.

Fra målingerne af excitationsfrekvensen for de enkelte isotoper, farveskiftet på det krævede laserlys blev bestemt for No-252 og No-254. For nr. 253, fragmenteringen af ​​linjen i flere hyperfine komponenter induceret af den enkelt uparrede ulige neutron blev også løst. Atomkernenes størrelser og former blev udledt af teoretiske beregninger af atomstrukturen i nobelium, som blev udført i samarbejde med forskere fra Helmholtz Institute Jena i Tyskland, universitetet i Groningen i Holland, og University of New South Wales i Sydney, Australien. Resultaterne bekræfter, at nobelium -isotoper ikke er sfæriske, men deformeres som en amerikansk fodbold. Den målte ændring i størrelse stemmer overens med nukleare modelberegninger udført af forskere fra GSI og fra Michigan State University i USA. Disse beregninger forudsiger, at de undersøgte kerner har en lavere ladningstæthed i deres centrum end ved deres overflade.

Takket være disse banebrydende undersøgelser, yderligere tunge nuklider vil være tilgængelige for laserspektroskopiske teknikker, muliggør en systematisk undersøgelse af ændringer i størrelse og form i området med tunge kerner. Disse eksperimenter er indtil videre kun mulige ved GSI og giver mulighed for en enestående dybdegående forståelse af atomets og nukleare struktur for de tungeste grundstoffer. Resultaterne spiller også en rolle for den fremtidige facilitet FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), som i øjeblikket er under opførelse hos GSI. De samme teknikker og metoder kunne også anvendes i lavenergigrenen i FAIRs superfragmentseparator.