Fizicienii găsesc nucleu atomic cu o „bule” în mijloc

Oamenii de știință au găsit primele dovezi experimentale că un nucleu atomic poate adăposti bule.

Izotopul instabil de siliciu-34 are un centru asemănător cu bule, cu o lipsă de protoni, au raportat oamenii de știință pe 24 octombrie în Fizica naturii. Acest „nucleu cu bule” neobișnuit ar putea ajuta oamenii de știință să înțeleagă cum se nasc elementele grele în univers și să-i ajute pe oamenii de știință să găsească izotopi stabili noi, ultragrei.

În modul lor cuantic ciudat, protonii și neutronii dintr-un nucleu refuză să existe doar într-un singur loc la un moment dat. În schimb, ele sunt răspândite în nucleu în orbitali nucleari, care descriu probabilitatea ca fiecare proton sau neutron să fie găsit într-un anumit loc. În mod normal, datorită forței nucleare puternice care ține împreună cele două tipuri de particule, nucleele au o densitate destul de constantă în centrele lor, indiferent de numărul de protoni și neutroni pe care îi conțin. În siliciul-34, totuși, unii oameni de știință au prezis că unul dintre orbitalii de protoni care umple centrul nucleului va fi aproape gol, creând un nucleu cu bule. Dar nu toate teoriile au fost de acord. „Acesta a fost motivul pentru care am făcut experimentul”, spune coautorul Olivier Sorlin, un fizician nuclear la National Large Heavy Ion Accelerator, GANIL, din Caen, Franța. „Unii oameni nu au crezut că va exista.”

În căutarea nucleului cu bule, oamenii de știință au spart nucleele de siliciu-34 într-o țintă de beriliu, care a scos protoni unici din nuclee pentru a crea aluminiu-33. Nucleele de aluminiu-33 rezultate au fost în stări excitate sau de înaltă energie și au scăzut rapid la o energie mai mică prin emiterea de fotoni sau particule de lumină. Observând energia acelor fotoni, Sorlin și colegii săi au putut reconstrui orbitalul protonului care fusese scos din nucleu.

Oamenii de știință au descoperit că au ejectat câțiva protoni din orbital central despre care teoreticienii au prezis că vor fi gol. În timp ce orbital poate ține, teoretic, până la doi protoni, acesta a deținut în medie doar 0,17 protoni. În siliciu-34, densitatea centrală a protonilor este de aproximativ jumătate din cea a unui nucleu comparabil, au calculat oamenii de știință, după ce au luat în considerare alți orbitali centrali care conțin un număr normal de protoni. (Totuși, densitatea neutronilor din centrul siliciului-34 este normală.)

Povestea continuă după grafică

„Ceea ce fac ei este extrem de dificil”, spune fizicianul nuclear teoretic Paul-Henri Heenen de la Université Libre de Bruxelles din Belgia. Silicon-34 nu este stabil, notează el. Are un timp de înjumătățire de mai puțin de trei secunde, ceea ce face să lucrezi cu el o provocare.

Pe măsură ce protonii sunt adăugați la nuclee, aceștia umplu orbitalii într-o manieră secvențială, în funcție de nivelurile de energie ale orbitalilor. Siliciul-34 este special – are un anumit număr „magic” de protoni și neutroni în nucleul său. Există o varietate de astfel de numere magice, care sporesc stabilitatea nucleelor ​​atomice. Un număr magic de protoni înseamnă că energia necesară pentru a propulsa un proton în următorul orbital este deosebit de mare. Aceasta explică originea bulei. Pentru ca un proton să sară în orbital central neumplut, are nevoie de mult mai multă energie. Deci centrul silicon-34 rămâne puțin populat.

„Este o lucrare interesantă și într-adevăr oferă dovezi” pentru un nucleu cu bule, spune fizicianul nuclear Jiangming Yao de la Universitatea din Carolina de Nord, Chapel Hill. Dar, spune el, dovezile „nu sunt directe”, deoarece se bazează pe modele nucleare pentru a calcula densitatea. Pentru a măsura direct densitatea protonilor va necesita folosirea electronilor pentru a sonda funcționarea interioară a nucleului.

Totuși, cercetarea ar putea ajuta oamenii de știință să înțeleagă interacțiunea spin-orbita, interacțiunea dintre momentul unghiular al unui proton în orbital său și momentul său unghiular intrinsec, sau spin. Efectul este important pentru menținerea stabilă a nucleelor ​​grele. Înțelegerea impactului acestei interacțiuni în acest nucleu neobișnuit ar putea ajuta oamenii de știință să prezică mai bine locația potențială a „insulei stabilității”, o regiune teoretizată a tabelului periodic cu elemente grele care pot fi stabile pentru perioade lungi de timp (SN: 6/5/10, str. 26).

În plus, o mai bună înțelegere a interacțiunii spin-orbita ar putea ajuta oamenii de știință să învețe cum sunt forjate elementele în cataclisme cosmice rare, cum ar fi fuziunea a două stele neutronice. Acolo, nucleele suferă un lanț complex de reacții, înghițind neutroni și suferă dezintegrare radioactivă. Modelarea acestui proces necesită o înțelegere precisă a stabilității diferitelor nuclee – o proprietate afectată de interacțiunea spin-orbita.