Suche
Mein Konto
Razbita atomska jedra: razkrivanje njihovih skrivnostnih oblik
Fiziki uporabljajo visokoenergetske trke za preučevanje oblik atomskih jeder, kar bi lahko spremenilo razumevanje kemijskih procesov.
Razbita atomska jedra: razkrivanje njihovih skrivnostnih oblik
Fiziki so odkrili nov način preučevanja oblike atomskih jeder – tako, da jih uničijo v visokoenergijskih trkih. Ta metoda bi lahko znanstvenikom pomagala bolje razumeti oblike jeder, kar vpliva na primer na hitrost nastajanja elementov v zvezdah in pomaga določiti, kateri materiali so najprimernejši kot jedrsko gorivo.
»Oblika jeder vpliva na skoraj vse vidike atomskega jedra in jedrskih procesov,« pravi Jie Meng, jedrski fizik na pekinški univerzi v Pekingu. Nova metoda slikanja, objavljena 6. novembra v reviji Nature, predstavlja "pomemben in vznemirljiv napredek", je dejal Meng.
Ekipa na relativističnem trkalniku težkih ionov (RHIC) v Nacionalnem laboratoriju Brookhaven v Uptonu v New Yorku je trčila dva žarka urana-238 – in pozneje dva žarka zlata – pri ekstremnih energijah. Trčila sta "tako silovito, da smo jedra v bistvu stopili v juho," pravi soavtor Jiangyong Jia, fizik na univerzi Stony Brook v New Yorku.
Vroča plazma, ki je nastala zaradi trkov, se je pod pritiskom zelo hitro razširila, kar je bilo povezano z začetno obliko jeder. Z uporabo detektorja, imenovanega Solenoidal Tracker pri RHIC ali STAR, ki je zaznal zagon več tisoč delcev, ki nastanejo pri obeh vrstah trkov, in rezultate primerjal z modeli, je ekipa lahko "obrnila uro nazaj, da bi sklepala o obliki jeder," pojasnjuje Jia.
Skrite figure
Atomsko jedro je sestavljeno iz protonov in nevtronov, ki zasedajo energijske nivoje kot elektroni. Na splošno delci prevzamejo obliko, ki zmanjša energijo sistema. Podobno kot kapljica vode lahko jedro prevzame različne oblike, vključno s hruško, ameriškim nogometom ali lupino arašidov. Obliko jedra je "teoretično zelo težko napovedati," pravi Jia. Tudi ona lahko sčasoma zaradi kvantnih nihanj spreminjati.
Prejšnji poskusi za raziskovanje oblike so vključevali odklon nizkoenergijskih ionov stran od jeder. Ta metoda - imenovana Coulombovo vzbujanje - vzbudi jedra in sevanje, ki ga oddajajo, ko se vrnejo v osnovno stanje, razkrije vidike njihove oblike. Ker je časovna lestvica razmeroma dolga, lahko ta vrsta slikanja prikaže le dolgoročno sliko, ki prikazuje povprečje vseh nihanj oblike.
Nasprotno pa metoda visokoenergijskih trkov zagotavlja trenutno sliko jeder med udarcem. To je bolj neposredna metoda, zaradi česar je primernejša za preučevanje eksotičnih oblik, pravi Jia.
Tehnika je potrdila, da ima zlato skoraj sferično obliko, ki je bila dosledna od ene slike do druge. Nasprotno pa se je oblika urana na posnetkih spremenila, ko so jedra trčila v različnih orientacijah. To je raziskovalcem omogočilo izračun relativne dolžine uranovega jedra v treh dimenzijah, kar kaže na to, da uran v eni dimenziji ni le raztegnjen, ampak tudi rahlo stisnjen, podobno kot pri izpraznjenem ameriškem nogometu.
"Fascinantno je, da je delovalo" in da drugi jedrski procesi niso vplivali na emisijo delcev in prikrili deformacije, pravi Magdalena Zielińska, jedrska fizičarka pri Francoski agenciji za alternativne energije in atomsko energijo v bližini Pariza.
Trdo ali mehko?
Ta vrsta slikanja bi lahko pomagala pri reševanju zahtevne naloge razlikovanja med jedri, ki so "toga", kar pomeni, da imajo dobro definirane oblike, in "mehkimi", ki nihajo, pravi Zielińska.
Jia pravi, da želi njegova ekipa metodo uporabiti tudi za preučevanje razlik med lahkimi ioni, kot sta kisik in neon. Jedra kisika so skoraj sferična, medtem ko jedra neona - ki nosijo dodatna dva protona in dva nevtrona - veljajo za upognjena. Primerjava njihovih oblik bi raziskovalcem omogočila razumevanje, kako protoni in nevtroni tvorijo grozde v jedrih, je dejal Jia.
Informacije o obliki lahko tudi razkrijejo, ali je verjetno, da bodo jedra medsebojno delovala ali da bodo podvržena reakciji jedrske cepitve, in lahko povečajo verjetnost procesa, imenovanega dvojnik brez nevtrinov β-razpad odkriti, kaj bi lahko pomagalo rešiti nekatere dolgoletne skrivnosti v fiziki. Približno 99,9 % vidne snovi je v središču atomov, pravi Jia. "Razumevanje jedrskega gradnika je skoraj v središču razumevanja, kdo smo."
-
STAR Collaboration Nature https://doi.org/10.1038/s41586-024-08097-2 (2024).