Suche
Mein Konto
Knuste atomkerner: afslører deres mystiske former
Fysikere bruger højenergikollisioner til at studere atomkernernes former, hvilket kan revolutionere forståelsen af kemiske processer.
Knuste atomkerner: afslører deres mystiske former
Fysikere har opdaget en ny måde at studere formen på atomkerner - ved at ødelægge dem i højenergikollisioner. Denne metode kunne hjælpe videnskabsmænd med bedre at forstå kernernes former, hvilket f.eks. påvirker hastigheden af dannelsen af grundstoffer i stjerner og hjælper med at bestemme, hvilke materialer der er bedst egnede som nukleart brændsel.
"Formen af kerner påvirker næsten alle aspekter af atomkernen og nukleare processer," siger Jie Meng, en kernefysiker ved Peking Universitet i Beijing. Den nye billeddannelsesmetode, der blev offentliggjort den 6. november i tidsskriftet Nature, repræsenterer "et vigtigt og spændende fremskridt," sagde Meng.
Et hold ved Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) ved Brookhaven National Laboratory i Upton, New York, kolliderede to stråler af uran-238 – og senere to stråler af guld – ved ekstreme energier. De kolliderede "så voldsomt, at vi dybest set smeltede kernerne til en suppe," siger medforfatter Jiangyong Jia, en fysiker ved Stony Brook University i New York.
Det varme plasma skabt af kollisionerne udvidede sig meget hurtigt under tryk, og dette var forbundet med kernernes oprindelige form. Ved at bruge en detektor kaldet Solenoidal Tracker hos RHIC eller STAR, der detekterede momentum af flere tusinde partikler produceret af begge typer kollisioner og matchede resultaterne med modeller, var holdet i stand til at "dreje uret tilbage for at udlede kernernes form," forklarer Jia.
Skjulte figurer
En atomkerne består af protoner og neutroner, som optager energiniveauer som elektroner. Generelt antager partiklerne en form, der minimerer systemets energi. I lighed med en dråbe vand kan kernen antage forskellige former, herunder en pære, amerikansk fodbold eller jordnøddeskal. Formen af en kerne er "meget vanskelig at forudsige teoretisk," siger Jia. Det kan hun også over tid på grund af kvanteudsving variere.
Tidligere eksperimenter for at udforske formen involverede afbøjning af lavenergi-ioner væk fra kernerne. Denne metode - kaldet Coulomb-excitation - exciterer kernerne, og den stråling, de udsender, når de falder tilbage til deres grundtilstand, afslører aspekter af deres form. Fordi tidsskalaen er relativt lang, kan denne type billeddannelse kun vise et langtidsbillede, der viser gennemsnittet af alle formsvingninger.
I modsætning hertil giver højenergikollisionsmetoden et øjeblikkeligt billede af kernerne under sammenstødet. Det er en mere direkte metode, hvilket gør den mere velegnet til at studere eksotiske former, siger Jia.
Teknikken bekræftede, at guld havde en næsten sfærisk form, der var konsistent fra det ene billede til det næste. I modsætning hertil ændrede uranformen sig i snapshots, da kernerne kolliderede i forskellige orienteringer. Dette gjorde det muligt for forskerne at beregne de relative længder af urankernen i tre dimensioner, hvilket tyder på, at uran ikke kun er strakt, men også let komprimeret i én dimension, svarende til en deflateret amerikansk fodbold.
"Det er fascinerende, at det virkede", og at andre nukleare processer ikke påvirkede emissionen af partiklerne og maskerede deformationen, siger Magdalena Zielińska, en kernefysiker ved det franske agentur for alternativ energi og atomenergi nær Paris.
Hård eller blød?
Denne type billeddannelse kunne hjælpe med at tackle den udfordrende opgave at skelne mellem kerner, der er 'stive', hvilket betyder, at de har veldefinerede former, og 'bløde', som svinger, siger Zielińska.
Jia siger, at hans team også ønsker at bruge metoden til at studere forskellene mellem lysioner som oxygen og neon. Iltkerner er næsten sfæriske, mens neonkerner - som bærer yderligere to protoner og to neutroner - anses for at være bøjet ud. At sammenligne deres former ville give forskerne mulighed for at forstå, hvordan protoner og neutroner danner klynger i kernerne, sagde Jia.
Information om form kan også afsløre, om kerner sandsynligvis vil interagere med hinanden eller gennemgå en nuklear fissionsreaktion, og kan øge sandsynligheden for en proces kaldet neutrinofri dobbelt β-henfald for at finde ud af, hvad der kan hjælpe med at løse nogle langvarige mysterier inden for fysik. Omkring 99,9% af det synlige stof er i centrum af atomer, siger Jia. "Forståelse af den nukleare byggesten er nærmest kernen i at forstå, hvem vi er."
-
STAR Collaboration Nature https://doi.org/10.1038/s41586-024-08097-2 (2024).