Eksperimenter og beregninger tillader undersøgelse af bor kompliceret dans

Arbejde åbner en vej til præcise beregninger af strukturen af ​​andre kerner.

I en undersøgelse, der kombinerer eksperimentelt arbejde og teoretiske beregninger muliggjort af supercomputere, forskere har bestemt atomgeometrien for to isotoper af bor. Resultatet kunne hjælpe med at åbne en vej til præcise beregninger af strukturen af ​​andre kerner, som forskere eksperimentelt kunne validere.

Forskere ved US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, i samarbejde med forskere i Tyskland og Polen, bestemt forskellen i en mængde kendt som atomladningsradius mellem bor-10 og bor-11. Atomladningsradius angiver størrelsen på en atomkerne - som ofte har relativt utydelige kanter.

Nukleare ladningsradier er vanskelige at beregne med høj præcision for atomer, der er meget større end bor på grund af det store antal neutroner og protoner, hvis egenskaber og interaktioner skal udledes af kvantemekanik.

Atomteori bygger på kvantekromodynamik (QCD), et sæt fysiske regler, der gælder for kvarker og gluoner, der sammensætter protoner og neutroner i kernen. Men at forsøge at løse atomdynamikken alene ved hjælp af QCD ville være en næsten umulig opgave på grund af dens kompleksitet, og forskere skal stole på i det mindste nogle forenklede antagelser.

Fordi bor er relativt let - med kun fem protoner og en håndfuld neutroner - var teamet i stand til med succes at modellere de to borisotoper på Mira -supercomputeren og studere dem eksperimentelt ved hjælp af laserspektroskopi. Mira er en del af Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), en DOE Office of Science brugerfacilitet.

"Dette er en af ​​de mest komplicerede atomkerner, for hvilke det er muligt at nå frem til disse præcise målinger eksperimentelt og udlede dem teoretisk, "sagde Argonne atomfysiker Peter Mueller, der hjalp med at lede undersøgelsen.

Ser på, hvordan de nukleare konfigurationer af bor-11 ( ¹¹ B) og bor-10 ( ¹⁰ B) adskilte sig ved at foretage bestemmelser på usædvanligt små længder:mindre end et femtometer-en kvadrillionendedel af en meter. I et modintuitivt fund, forskerne fastslog, at de 11 nukleoner i bor-11 faktisk optager et mindre volumen end de 10 nukleoner i bor-10.

For at se eksperimentelt på borisotoperne, forskere ved universitetet i Darmstadt udførte laserspektroskopi på prøver af isotoper, som fluorescerer ved forskellige frekvenser. Mens størstedelen af ​​forskellen i fluorescensmønstrene skyldes forskellen i massen mellem isotoperne, der er en komponent i målingen, der afspejler kernens størrelse, forklarede Argonne -fysikeren Robert Wiringa.

For at adskille disse komponenter, samarbejdspartnere fra University of Warszawa og Adam Mickiewicz University i Poznan udførte state-of-the-art atomteoretiske beregninger, der præcist beskriver den komplicerede dans af de fem elektroner omkring kernen i boratomet.

"Tidligere elektronspredningsforsøg kunne ikke rigtig sige med sikkerhed, hvilken der var større, "Sagde Wiringa." Ved at bruge denne laserspektroskopiteknik, vi kan med sikkerhed se, hvordan den ekstra neutron binder bor-11 tættere. "

Den gode overensstemmelse mellem eksperiment og teori for kernens dimensioner gør det muligt for forskere at bestemme andre egenskaber ved en isotop, såsom dets beta -henfaldshastighed, med større selvtillid. "Evnen til at udføre beregninger og lave eksperimenter går hånd i hånd for at validere og forstærke vores fund, "Sagde Mueller.

Den næste fase af forskningen vil sandsynligvis involvere undersøgelsen af ​​bor-8, som er ustabil og kun har en halveringstid på cirka et sekund, før den forfalder. Fordi der er færre neutroner i kernen, det er meget mindre tæt bundet end sine stabile naboer og menes at have en udvidet ladningsradius, Sagde Mueller. "Der er en forudsigelse, men kun eksperiment vil fortælle os, hvor godt det faktisk modellerer dette løst bundne system, "forklarede han.

En artikel baseret på forskningen, "Nukleare ladningsradier på 10, 11B, "vises i 10. maj -udgaven af Fysisk gennemgangsbreve .