O πυρήνας του άνθρακα-12 ως ισόπλευρο τρίγωνο

Posted on 10/07/2014

0


Ο πυρήνας του άνθρακα-12 (12C) είναι ένας από τους πιο ενδιαφέροντες πυρήνες, τουλάχιστον για δυο λόγους: πρώτον γιατί αποτελείται από 6 πρωτόνια και 6 νετρόνια και δεύτερον διότι αποτελεί τον πυρήνα του στοιχείου που συνδέεται με το φαινόμενο της ζωής στον πλανήτη μας.

Για να απαντήσει στο ερώτημα «πως δημιουργήθηκε η παρατηρούμενη αφθονία του άνθρακα στο σύμπαν;» ο αστροφυσικός Fred Hoyle προέβλεψε την ύπαρξη μιας διεγερμένης κατάστασης του πυρήνα 12C με ενέργεια 7.65 MeV, την κατάσταση που αργότερα ονομάστηκε στάθμη Hoyle.

Η στάθμη Hoyle ήταν απαραίτητη για να εξηγηθεί ο σχηματισμός του 12C από την αντίδραση τριών άλφα στο εσωτερικών των άστρων: 3α → 12C (υπενθυμίζεται ότι τα σωματίδια α συνίστανται από 2 πρωτόνια και 2 νετρόνια και δεν είναι τίποτε άλλο παρά πυρήνες ηλίου = 4He)

Αρχικά δυο πυρήνες ηλίου σχηματίζουν έναν πυρήνα βηρυλλίου. Στη συνέχεια ο πυρήνας βηρυλλίου ενώνεται με έναν πυρήνα ηλίου και σχηματίζει άνθρακα. Ο Fred Hoyle υπέθεσε ότι στο δεύτερο βήμα της διαδικασίας υπάρχει συντονισμός

Αρχικά δυο πυρήνες ηλίου σχηματίζουν έναν πυρήνα βηρυλλίου. Στη συνέχεια ο πυρήνας βηρυλλίου ενώνεται με έναν πυρήνα ηλίου και σχηματίζει άνθρακα. Ο Fred Hoyle υπέθεσε ότι στο δεύτερο βήμα της διαδικασίας υπάρχει συντονισμός

Πρόκειται για ένα από τα εντυπωσιακότερα παραδείγματα θεωρητικής πρόβλεψης που στη συνέχεια επιβεβαιώθηκε πλήρως από πειράματα πυρηνικής φυσικής.

Ο πυρήνας 12C εξακολουθεί να προβληματίζει και να αποτελεί θέμα μεγάλης συζήτησης μεταξύ των πυρηνικών φυσικών σχετικά με το σχήμα του και τον τρόπο κατανομής των νετρονίων και πρωτονίων. Ενώ μερικοί «βλέπουν» τον πυρήνα του 12C ως μια σφαιρική ομογενή κατανομή 12 νουκλεονίων, κάποιοι άλλοι πιστεύουν ότι τα νουκλεόνια συσσωματώνονται σε σωματίδια άλφα σχηματίζοντας ένα ισόπλευρο τρίγωνο, μια διαμόρφωση που χαρακτηρίζεται από την ομάδα συμμετρίας D3h. Ένας λόγος που υπαγορεύει αυτό το μοντέλο είναι το ότι τα σωματίδια άλφα είναι εξαιρετικά σταθερά, οπότε μπορούν να παραμένουν ως έχουν μέσα στον πυρήνα του άνθρακα-12.

Το 2000 οι Roelof Bijker του Πανεπιστημίου του Μεξικό (UNAM) και ο Francesco Iachello από το Yale υπέδειξαν ότι τα τρία σωματίδια άλφα θα μπορούσαν να διαταχθούν στο ίδιο επίπεδο σχηματίζοντας ένα ισόπλευρο τρίγωνο, εμπνεόμενοι από μια παρόμοια δομή που συναντάται σε μοριακό επίπεδο, στο τριατομικό ιόν υδρογόνου Η3+.

Η μέτρηση μιας νέας διεγερμένης κατάστασης του πυρήνα 12C από τους ερευνητές Marín-Lámbarri et al, και η δημοσίευση της εργασίας τους με τίτλο “Evidence for Triangular D3h Symmetry in 12C ” στο Physical Review Letters,παρέχει επιπλέον ενδείξεις για το «τριγωνικό σύμπλεγμα».

Η προτεινόμενη τριγωνική διάταξη των σωματιδίων άλφα στον πυρήνα του άνθρακα-12. Το εύρημα αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει τους φυσικούς σε πιο ακριβή μοντέλα της δομής του πυρήνα του άνθρακα, απαραίτητα για την καλύτερη κατανόηση της σύνθεσης του άνθρακα στο εσωτερικό των άστρων.

Η προτεινόμενη τριγωνική διάταξη των σωματιδίων άλφα στον πυρήνα του άνθρακα-12. Το εύρημα αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει τους φυσικούς σε πιο ακριβή μοντέλα της δομής του πυρήνα του άνθρακα, απαραίτητα για την καλύτερη κατανόηση της σύνθεσης του άνθρακα στο εσωτερικό των άστρων.

Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν στο κύκλοτρο του πανεπιστημίου του Birmingham, όπου οι ερευνητές χρησιμοποίησαν δέσμη σωματιδίων α (4He) για να διασπάσουν και να διεγείρουν τους πυρήνες 12C του στόχου σε καταστάσεις με μεγάλο σπιν. Μετρώντας την ενέργεια και την γωνιακή κατανομή των σωματιδίων άλφα, ταυτοποιήθηκε μια στάθμη με μεγάλο σπιν που δεν είχε παρατηρηθεί μέχρι σήμερα. Τα μοντέλα που περιγράφουν την μορφή του 12C προβλέπουν στα πλαίσια της συμμετρίας D3h, μια ζώνη καταστάσεων περιστροφής με spin και parity 0+, 2+, 3, 4± και 5.
Οι Marín-Lámbarri et al παρατήρησαν την τελευταία από αυτές στην ενέργεια των 22,4 MeV και η ανάλυση των δεδομένων έδειξε ότι ο πυρήνας του άνθρακα χαρακτηρίζεται από τη συμμετρία D3h, δηλαδή μοιάζει με ένα ισόπλευρο τρίγωνο
Αυτή η περιγραφή ισχύει για την θεμελιώδη κατάσταση του άνθρακα-12 αλλά και για την κατάσταση Hoyle. Φαίνεται ότι το φάσμα ζώνης περιστροφής της κατάστασης Hoyle είναι παρόμοιο με το αντίστοιχο της θεμελιώδους κατάστασης. Αυτό υποδηλώνει ότι η κατάσταση Hoyle είναι ένας ακτινικός τρόπος διέγερσης της τριγωνικής διάταξης. Αυτό το εκτεταμένο τρίγωνο μπορεί να έχει μια σειρά διεγερμένων περιστροφικών καταστάσεων παρόμοια με τις καταστάσεις περιστροφής της θεμελιώδους κατάστασης του 12C.

Όμως μια κατάσταση Hoyle σε σχήμα ισοπλεύρου τριγώνου φαίνεται να έρχεται σε αντίθεση με πρόσφατους θεωρητικούς υπολογισμούς και πιο συγκεκριμένα με την εργασία «Structure and rotations of the Hoyle state», που έδειχνε ότι το σχήμα της στάθμης Hoyle είναι μάλλον σαν ένα αμβλυγώνιο τρίγωνο ή σαν «λυγισμένο χέρι» που σχηματίζουν τα τρία «συσσωματώματα» άλφα στον πυρήνα του άνθρακα.

Ένας ασφαλέστερος τρόπος επιβεβαίωσης του σχήματος του πυρήνα είναι η μελέτη των ακτίνων γ που εκπέμπονται κατά την αποδιέγερση σταθμών. Παρότι αυτές οι μελέτες είναι κοινός τόπος στην πυρηνική φυσική, είναι δύσκολο να γίνουν στον πυρήνα του άνθρακα-12, διότι είναι πιο πιθανό να αποδιεγερθεί εκπέμποντας σωμάτιο α παρά ακτίνα γ.

Έτσι, οι ίδιοι ερευνητές σχεδιάζουν την πραγματοποίηση ενός τέτοιου πειράματος, προς το τέλος του χρόνου, όπου θα ανιχνεύονται οι ακτίνες γ των αποδιεγέρσεων των πυρήνων άνθρακα.
Εξήντα χρόνια μετά την πρόβλεψη της κατάσταση Hoyle, θα μπορέσουμε τελικά να μάθουμε το σχήμα της.

ΠΗΓΕΣ: physics.aps.org – physicsworld.com/

Ετικέτα: