Nye målinger af eksotisk form af magnesium tyder på overraskende formskift

For godt ti år siden skubbede forskere magnesiumatomer til nye grænser, fastklemmer ekstra neutroner i deres kerner mod - og muligvis når - maksimumsgrænsen for dette element.

Nu, et internationalt team ledet af forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har gengivet dette eksotiske system, kendt som magnesium-40, og skaffede nye og overraskende spor om dens nukleare struktur.

"Magnesium-40 sidder i et kryds, hvor der er mange spørgsmål om, hvordan det egentlig ser ud, "sagde Heather Crawford, en personaleforsker i Nuclear Science Division ved Berkeley Lab og hovedforfatter af denne undersøgelse, offentliggjort online 7. februar i Fysisk gennemgangsbreve tidsskrift. "Det er en ekstremt eksotisk art."

Mens antallet af protoner (som har en positiv elektrisk ladning) i dens atomkerne definerer et element atomnummer - hvor det sidder på det periodiske bord - kan antallet af neutroner (som ikke har elektrisk ladning) variere. Den mest almindelige og stabile type magnesiumatom, der findes i naturen, har 12 protoner, 12 neutroner, og 12 elektroner (som har en negativ ladning).

Atomer af det samme grundstof med forskellige neutrontal er kendt som isotoper. Magnesium-40 (Mg-40) isotopen, som forskerne undersøgte, har 28 neutroner, som kan være maksimum for magnesiumatomer. For et givet element, det maksimale antal neutroner i en kerne omtales som "neutrondryplinjen - hvis du forsøger at tilføje en anden neutron, når den allerede er i kapacitet, den ekstra neutron vil umiddelbart "dryppe" ud af kernen.

"Den er ekstremt neutronrig, "Crawford sagde." Det vides ikke, om Mg-40 er ved droplinjen, men det er helt sikkert meget tæt. Dette er en af ​​de tungeste isotoper, du i øjeblikket kan nå eksperimentelt nær droplinjen. "

Formen og strukturen af ​​kerner nær droplinjen er særligt interessant for atomfysikere, fordi den kan lære dem grundlæggende ting om, hvordan kerner opfører sig ved eksistensens ekstremer.

"Det interessante spørgsmål i vores sind hele tiden, når du kommer så tæt på droplinjen, er:'Ændrer måden, hvorpå neutronerne og protonerne arrangerer sig selv?' "sagde Paul Fallon, en seniorforsker i Berkeley Labs Nuclear Science Division og en medforfatter af undersøgelsen. "Et af de vigtigste mål med atomfysikfeltet er at forstå strukturen fra kernen af ​​et element helt til dryplinjen."

En sådan grundlæggende forståelse kan oplyse teorier om eksplosive processer såsom skabelse af tunge elementer i stjernefusioner og eksplosioner, han sagde.

Undersøgelsen er baseret på forsøg på Japans radioaktive isotopstrålefabrik (RIBF), som er placeret på RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science i Wako, Japan. Forskere kombinerede kraften i tre cyklotroner-en type partikelaccelerator, der først blev udviklet af Berkeley Lab-grundlægger Ernest Lawrence i 1931-til at producere partikelstråler med meget høj energi, der kører med omkring 60 procent af lysets hastighed.

Forskergruppen brugte en kraftig stråle af calcium-48, som er en stabil isotop af calcium med et magisk antal af både protoner (20) og neutroner (28), at slå en roterende skive af flere millimeter tyk kulstof.

Nogle af calcium-48 kernerne styrtede ind i carbonkernerne, i nogle tilfælde producerer en aluminiumisotop kendt som aluminium-41. Det atomfysiske eksperiment adskilte disse aluminium-41 atomer, som derefter blev kanaliseret til at ramme et centimeter tykt plastik (CH2) mål. Påvirkningen med dette sekundære mål slog en proton væk fra nogle af aluminium-41-kernerne, skaber Mg-40 kerner.

Dette andet mål var omgivet af en gammastråldetektor, og forskere var i stand til at undersøge ophidsede tilstande for Mg-40 baseret på målingerne af gammastrålerne, der udsendes i stråle-mål-interaktionerne.

Ud over Mg-40, målingerne fangede også energierne fra ophidsede tilstande i andre magnesiumisotoper, herunder Mg-36 og Mg-38.

"De fleste modeller sagde, at Mg-40 skulle ligne meget de lettere isotoper, "Sagde Crawford." Men det gjorde det ikke. Når vi ser noget, der ser meget anderledes ud, så er udfordringen, at nye teorier skal fange alt dette. "

Fordi teorierne nu er uenige i, hvad der blev set i eksperimenterne, nye beregninger er nødvendige for at forklare, hvad der ændrer sig i strukturen af ​​Mg-40-kerner sammenlignet med Mg-38 og andre isotoper.

Fallon sagde, at mange beregninger tyder på, at Mg-40-kerner er meget deformerede, og muligvis fodboldformet, så de to tilføjede neutroner i Mg-40 kan summe omkring kernen for at danne en såkaldt halokerne i stedet for at blive inkorporeret i den form, der udvises af tilstødende magnesiumisotoper.

"Vi spekulerer i noget af fysikken, men dette skal bekræftes ved mere detaljerede beregninger, " han sagde.

Crawford sagde, at yderligere målinger og teori virker på Mg-40, og at nærliggende isotoper kunne bidrage til at identificere formen af ​​Mg-40-kernen positivt, og at forklare, hvad der forårsager ændringen i atomstrukturen.

Forskere bemærkede, at atomfysikkens facilitet for sjældne isotopstråler, en ny DOE Office of Science User Facility, der er under opførelse ved Michigan State University, kombineret med Gamma-Ray Energy Tracking Array (GRETA), der bygges på Berkeley Lab, vil muliggøre yderligere undersøgelser af andre elementer i nærheden af ​​atomdryplinjen.