Rugby eller fodbold? ISOLDE afslører formskiftende karakter af kviksølv-isotoper

En hidtil uset kombination af eksperimentel atomfysik og teoretiske og beregningsmæssige modelleringsteknikker er blevet bragt sammen for at afsløre det fulde omfang af den ulige lige form for svimlende eksotiske kviksølvisotoper, og forklar hvordan det sker. Resultatet, fra et internationalt team på ISOLDE atomfysikfacilitet på CERN1, udgivet i dag i Naturfysik , demonstrerer og forklarer et fænomen, der er unikt for kviksølvisotoper, hvor atomkernenes form dramatisk bevæger sig mellem en fodbold- og rugbybold.

Isotoper er former for et element, der indeholder det samme antal protoner i deres kerner, men forskellige antal neutroner. Egenskaberne ved forskellige isotoper kan udnyttes på forskellige måder, herunder arkæologisk og historisk datering (kulstof 14) og medicinsk diagnostik. Stabile isotoper har et optimalt forhold mellem protoner og neutroner. Imidlertid, når antallet af neutroner falder eller stiger, strukturelle ændringer i kernen er påkrævet, og isotopen bliver typisk ustabil. Det betyder, at det spontant vil transformere sig mod en stabil isotop af et andet element gennem radioaktivt henfald. Isotoper med ekstreme forhold mellem neutron og proton er typisk meget kortvarige, gør dem svære at producere og studere i laboratoriet. ISOLDE er det eneste sted i verden, der kan studere så mange eksotiske isotoper.

Et af de tidligste forsøg i ISOLDE -anlægget observerede dramatiske nukleare former svimlende i kæden af ​​kviksølvisotoper for første gang. Det mere end 40 år gamle resultat viste, at selvom de fleste isotoper med neutrontal mellem 96 og 136 har sfæriske kerner, dem med 101, 103 og 105 neutroner har stærkt langstrakte kerner, form af rugbybolde. Denne opdagelse er fortsat et af ISOLDEs flagskibsresultater, men det var så dramatisk, at det var svært at tro.

I dette nye resultat, det eksperimentelle team brugte laserioniseringsspektroskopi, massespektrometri og nuklear spektroskopi teknikker for at se nærmere på, hvordan, hvorfor og hvornår disse kvantefaseovergange finder sted. Holdet gengav ikke kun resultaterne af det historiske eksperiment (observerede isotoper op til Merkur 181), ved at producere og studere yderligere fire eksotiske isotoper (177-180), det opdagede også det punkt, hvor formen, der svimlende ophører, og kviksølvisotoper vender tilbage til normal isotopadfærd. Flere teorier havde forsøgt at beskrive, hvad der skete, men ingen var i stand til at give en fuldstændig forklaring.

"På grund af den ekstreme vanskelighed ved at producere sådanne eksotiske kerner, såvel som den beregningsmæssige udfordring ved modellering af et så komplekst system, årsagerne til denne form svimlende fænomen forblev uklare, "forklarer Bruce Marsh." Det er først nu, med nyudvikling af ISOLDE's Resonance Ionisation Laser Ion Source (RILIS), og ved at gå sammen med andre ISOLDE -teams, at vi har været i stand til at undersøge atomisstrukturen i disse isotoper. "

Disse eksperimentelle observationer var i sig selv enestående, men samarbejdet ønskede at afslutte historien ved at forklare formen svimlende effekt teoretisk. Ved hjælp af en af ​​verdens mest kraftfulde supercomputere, teoretikere i Japan udførte de mest ambitiøse nukleare shell -modelberegninger til dato.

Disse beregninger identificerede de mikroskopiske komponenter, der driver formforskydningen; specifikt, at fire protoner er spændte ud over et niveau, der forudsiges af forventninger til, hvordan andre stabile isotoper i atomlandskabet opfører sig. Disse fire protoner kombineres med otte neutroner, og det driver skiftet til den aflange kerneform. Faktisk, begge nukleare former er mulige for hver kviksølvisotop, afhængigt af om det er i jorden eller ophidset tilstand, men de fleste har en fodboldformet kerne i deres grundtilstand. Overraskelsen er, at naturen vælger den aflange rugbyboldform som grundtilstand for tre af isotoperne.

"Opfindsomhed og innovation er kendetegn ved ISOLDE -samfundet, og generation og måling af pakken med kviksølvisotoper er et særligt smukt eksempel, "sagde Eckhard Elsen, CERNs direktør for forskning og computing. "Jeg er endnu mere imponeret over, at den teoretiske forklaring på den forvirrende adfærd ved hjælp af supercomputermodellering blev leveret på samme tid."