Ένας διπλά μαγικός πυρήνας

Posted on 22/12/2018

0


Το πρώτο αποτέλεσμα του πειράματος HIE-ISOLDE είναι διπλά μαγικό

H διάταξη των ανιχνευτών ακτίνων γάμα MINIBALL στον επιταχυντή HIE-ISOLDE

Τα νουκλεόνια (πρωτόνια και νετρόνια) που περιέχονται στους πυρήνες των ατόμων έλκονται μεταξύ τους με την ισχυρή πυρηνική δύναμη, που έχει μεν μικρή εμβέλεια, αλλά είναι η ισχυρότερη από τα άλλα τρία είδη δυνάμεων που εμφανίζονται στη φύση – την βαρυτική, την ηλεκτρομαγνητική και την ασθενή πυρηνική.

Ένα μοντέλο που περιγράφει με σχετική επιτυχία τον πυρήνα είναι το μοντέλο της υγρής σταγόνας, σύμφωνα με το οποίο κάθε νουκλεόνιο αλληλεπιδρά μόνο με τα πιο κοντινά του νουκλεόνια – όπως ένα μόριο σε ένα υγρό. Από μια άλλη οπτική γωνία υπάρχει η υπόθεση ότι κάθε νουκλεόνιο αλληλεπιδρά κυρίως μέσω ενός πεδίου δυνάμεων που δημιουργούν όλα τα υπόλοιπα νουκλεόνια. Αυτή η εικόνα μοιάζει με αυτή των ηλεκτρονίων στο άτομο, όπου μόνο ορισμένοι κβαντικοί αριθμοί επιτρέπονται και μόνο δυο ηλεκτρόνια, τα οποία είναι φερμιόνια, μπορούν να καταλαμβάνουν κάθε κατάσταση. Τα νουκλεόνια είναι επίσης φερμιόνια και πολλές ιδιότητες των πυρήνων μεταβάλλονται περιοδικά με τον αριθμό των πρωτονίων (Ζ) και τον αριθμό των νετρονίων (Ν) με έναν τρόπο που θυμίζει την περιοδικότητα των ιδιοτήτων των ατόμων συναρτήσει του Ζ.

Οι πυρήνες των οποίων ο αριθμός των πρωτονίων ή των νετρονίων είναι Ζ ή Ν = 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 παρουσιάζουν ασυνήθιστα μεγάλη ενέργεια σύνδεσης και γι αυτό είναι πιο άφθονοι από άλλους πυρήνες με παρόμοιους μαζικούς αριθμούς. Οι αριθμοί αυτοί ονομάζονται μαγικοί.

Σε κάθε πυρηνικό πρότυπο που βασίζεται στην επίδραση ενός κεντρικού δυναμικού τα νουκλεόνια διατάσσονται σε διαδοχικούς φλοιούς σαν το κρεμμύδι, όπως ακριβώς συμβαίνει στην ατομική φυσική με τα ηλεκτρόνια (εκεί τα ευγενή αέρια διαθέτουν τους αντίστοιχους ατομικούς «μαγικούς» αριθμούς Ζ=2, 10, 18, 36, 54, 86. Η ηλεκτρονική δομή των στοιχείων αυτών εξασφαλίζει τις υψηλότερες ενέργειες σύνδεσης και δίνει εξαιρετική σταθερότητα, γεγονός στο οποίο οφείλεται η χημική αδράνεια των ευγενών αερίων).

Το πυρηνικό μοντέλο των φλοιών της Goeppert-Mayer ήταν μια προσπάθεια ερμηνείας των μαγικών αριθμών στην πυρηνική φυσική.

Η ονομασία «μαγικοί» αντανακλούσε την μη κατανόηση της προέλευσής τους ή την έλλειψη εμπιστοσύνης στο πρότυπο των φλοιών πριν την δεκαετία του 1950. (Τον όρο χρησιμοποίησε για πρώτη φορά ο Eugene Wigner, καθώς ήταν επιφυλακτικός με το πρότυπο των φλοιών).

Επιπλέον, χρησιμοποιείται η έκφραση μαγικός πυρήνας, για τους πυρήνες με αριθμό πρωτονίων ή νετρονίων ίσο με έναν από τους μαγικούς αριθμούς, όπως επίσης και η έκφραση διπλά μαγικός πυρήνας για πυρήνες με Ζ και Ν μαγικούς αριθμούς. Παραδείγματα διπλών μαγικών ισοτόπων είναι τa 4He, 16O, 40Ca, 48Ca, 78Ni, και 208Pb. Οι πυρήνες αυτοί είναι εξαιρετικά σταθεροί και έχουν σφαιρικό σχήμα.

Ένα παράδειγμα μη σταθερού πυρήνα με διπλούς μαγικούς αριθμούς είναι ο κασσίτερος-132 (132Sn), που περιέχει 50 πρωτόνια και 82 νετρόνια. Παλαιότερες μελέτες, που διερευνούσαν την διπλή μαγική φύση του 132Sn μελετώντας τις ιδιότητες των γειτονικών πυρήνων του, κατέληγαν στο συμπέρασμα ότι ο πυρήνας αυτός δεν πρέπει να κατατάσσεται  στην κατηγορία των διπλά μαγικών πυρήνων.
Μια νέα έρευνα που πραγματοποιήθηκε από την ομάδα HIE-ISOLDE/MINIBALL στο CERN εξέτασε απευθείας τον πυρήνα 132Sn και το αποτέλεσμα ήταν η επαναφορά του στην κατηγορία των διπλά μαγικών πυρήνων.

Η ερευνητική ομάδα, αρχικά παρήγαγε τα ασταθή ισότοπα 132Sn στην εγκατάσταση ISOLDE και στη συνέχεια τα επιτάχυναν στην ενέργεια των 5,49 MeV, κατευθύνοντάς τα σε στόχο μολύβδου-206. Έτσι, οι πυρήνες του κασσίτερου-132 διεγείρονταν σε υψηλότερες ενεργειακές στάθμες. Η αποδιεγέρσεις που ακολουθούσαν παρήγαγαν ακτίνες γ συγκεκριμένης ενέργειας οι οποίες καταγράφονταν από την διάταξη των ανιχνευτών γάμα MINIBALL – μια ομολογουμένως πολύ δύσκολη πειραματική διαδικασία.

Από την ανάλυση της ανιχνευθείσας ακτινοβολίας γ υπολογίζoνται οι πολυπολικές ροπές του πυρήνα, οι οποίες αποδεικνύουν την σφαιρικότητα και την διπλή μαγεία του πυρήνα 132Sn.

Η μελέτη του πυρήνα 132Sn είναι σημαντική και για έναν επιπλέον λόγο. Ο πυρήνας αυτός ανήκει στους πυρήνες που παράγονται με μια αστροφυσική διαδικασία που ονομάζεται διεργασία r (γρήγορη διεργασία). Η διαδικασία r που πραγματοποιείται σε αστροφυσικά περιβάλλοντα που εμφανίζουν μεγάλη πυκνότητα νετρονίων είναι υπεύθυνη για την παραγωγή της μεγαλύτερης ποσότητας στοιχείων πολύ βαρύτερων από τον σίδηρο, όπως του χρυσού, του θορίου και του πλουτωνίου.

Η διαδικασία αυτή δεν έχει κατανοηθεί πλήρως και η μελέτη του πυρήνα 132Sn θα μπορούσε να ρίξει επιπλέον φως στον τρόπο δημιουργίας των βαρέων στοιχείων στο σύμπαν.

Διαβάστε περισσότερα: «First result from HIE-ISOLDE is doubly magic«