Πόσο μεγάλα είναι τα σωματίδια άλφα;

Το μέγεθος των σωματιδίων α (πυρήνες ατόμων ηλίου) προσδιορίστηκε με εξαιρετική ακρίβεια χρησιμοποιώντας εξωτικά άτομα ηλίου, όπου ένα ηλεκτρόνιο του ατόμου του ηλίου αντικαθίσταται με τον βαρύτερο ξάδελφό του, ένα μιόνιο.

Το άτομο ηλίου

Το ήλιο-4 (^{4}_{2}He) είναι το δεύτερο πιο άφθονο στοιχείο στο Σύμπαν, μετά το υδρογόνο. Ο πυρήνας του ατόμου του ηλίου συνίσταται από δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια και απογυμνωμένος από τα δύο ηλεκτρόνια, ονομάζεται σωματίδιο α. Αυτό το σωματίδιο είναι συμπαγέστερο σε σχέση με άλλους ελαφρούς πυρήνες – για παράδειγμα, είναι περίπου 20% μικρότερο από τον πυρήνα του δευτερίου (^{2}_{1}H), ενός ισοτόπου του υδρογόνου, το οποίο περιέχει μόνο ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο. Το ακριβές μέγεθος του σωματιδίου α παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον εξαιτίας ενός παλαιότερου πειράματος που έδειχνε ότι η ακτίνα του πρωτονίου είναι σημαντικά μικρότερη από την θεωρούμενη τιμή. Αυτό το αποτέλεσμα οδήγησε σε πολλές εικασίες σχετικά με τις πιθανές ατέλειες του καθιερωμένου προτύπου της φυσικής των σωματιδίων. Οι Krauth et al δημοσίευσαν στο περιοδικό Nature, την εργασία τους όπου περιγράφεται η μέτρηση του μεγέθους των σωματιδίων α που θέτει όρια σ’ αυτές τις εικασίες και αποτελεί σημείο αναφοράς για την θεωρία της πυρηνικής δομής.

Οι συγγραφείς της εν λόγω εργασίας μέτρησαν το μέγεθος των σωματιδίων α χρησιμοποιώντας μια τεχνική γνωστή ως φασματοσκοπία λέιζερ. Αυτή η προσέγγιση βασίζεται στο γεγονός ότι τα άτομα μπορούν να εκπέμπουν και να απορροφούν φως μόνο σε διακριτές συχνότητες, οι οποίες καθορίζονται από τις λεπτομέρειες της ατομικής δομής – δηλαδή, την αλληλεπίδραση των αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων με τον θετικά φορτισμένο πυρήνα, αλλά και μεταξύ τους. Τα πρωτόνια αποτελούν το θετικό ηλεκτρικό φορτίο του πυρήνα. Ο αριθμός των πρωτονίων καθορίζει το στοιχείο και η έκτασή τους στον χώρο χαρακτηρίζεται από μια ιδιότητα που ονομάζεται ακτίνα πυρηνικού φορτίου. Αυτή η ακτίνα καθορίζει το μέγεθος του πυρήνα.

Οι τιμές των συχνοτήτων απορρόφησης και εκπομπής εξαρτώνται ελαφρώς και από την ακτίνα του ηλεκτρικού φορτίου. Επομένως, αυτή η ακτίνα μπορεί να προσδιοριστεί εφόσον η ατομική δομή είναι πολύ καλά γνωστή για έναν επαρκώς ακριβή υπολογισμό όλων των άλλων παραγόντων που επηρεάζουν τις συχνότητες. Αν και έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος σε αυτόν τον τομέα, τέτοιοι προσδιορισμοί είναι επί του παρόντος δυνατοί μόνο για συστήματα δύο σωμάτων – δηλαδή, ένα μόνο ηλεκτρόνιο ή παρόμοιο σωματίδιο που συνδέεται με έναν πυρήνα. Η προσθήκη ενός επιπλέον σωματιδίου οδηγεί σε μια τεράστια αύξηση της πολυπλοκότητας και τέτοιοι κβαντομηχανικοί υπολογισμοί είναι προς το παρόν αδύνατοι. Γι αυτό, η φασματοσκοπία λέιζερ είχε χρησιμοποιηθεί μέχρι σήμερα για την άμεση εξαγωγή των μεγεθών μόνο του πρωτονίου και του πυρήνα δευτερίου.

Ο Krauth και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν μια έξυπνη μέθοδο για να εφαρμόσουν αυτήν την μέθοδο στο σωματίδιο α. Τοποθέτησαν αρνητικά φορτισμένα μιόνια – τα βαρύτερα ξαδέλφια των ηλεκτρονίων – σε αέριο ήλιο μικρής πυκνότητας. Οι συγκρούσεις μεταξύ των μιονίων και των ατόμων του αερίου προκάλεσαν την απώλεια ενέργειας στα μιόνια και επέτρεψαν σε ένα μιόνιο να αντικαταστήσει ένα από τα δύο ηλεκτρόνια σε ένα άτομο ηλίου (βλέπε σχήμα). Στη συνέχεια, αυτό το μιόνιο χάνει περισσότερη ενέργεια και πλησιάζει πιο κοντά στον ατομικό πυρήνα. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, το δεύτερο ηλεκτρόνιο αποβάλλεται από το άτομο, και έτσι δημιουργείται ένα θετικά φορτισμένο ιόν αποτελούμενο από ένα σωματίδιο α και ένα μιόνιο.

α. Ο πυρήνας του ατόμου του ηλίου, γνωστός και ως σωματίδιο α, περιλαμβάνει δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια. Το άτομο του ηλίου περιβάλλεται από δύο ηλεκτρόνια. Ο Krauth και οι συνεργάτες του πραγματοποίησαν ένα πείραμα στο οποίο ένα μιόνιο αντικατέστησε ένα ηλεκτρόνιο σε ένα άτομο ηλίου. b. Αυτό το μιόνιο σταδιακά πλησιάζει πιο κοντά στον πυρήνα και διώχνει το δεύτερο ηλεκτρόνιο από το άτομο. c. Το αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας είναι ένα μιονικό ιόν ηλίου – ένα θετικά φορτισμένο ιόν αποτελούμενο από ένα σωματίδιο α και ένα μιόνιο. Οι ερευνητές έριξαν φως με λέιζερ σ’ αυτό το ιόν λίγο μετά το σχηματισμό του. Τότε σε μερικές περιπτώσεις, το μιόνιο κινήθηκε ακόμα πιο κοντά στον πυρήνα, παράγοντας έτσι ένα φωτόνιο ακτίνων Χ. Αναλύοντας αυτήν την εκπομπή ακτίνων Χ, καθόρισαν το μέγεθος του πυρήνα ηλίου με πρωτοφανή ακρίβεια.

Η ατομική δομή αυτού του μιονικού ιόντος ηλίου μπορεί να προσδιοριστεί θεωρητικά με εξαιρετικά υψηλή ακρίβεια. Επιπλέον, επειδή το μιόνιο έχει περίπου 200 φορές την μάζα ενός ηλεκτρονίου, βρίσκεται περίπου 200 φορές πιο κοντά στον πυρήνα του ηλίου από ένα ηλεκτρόνιο. Ως αποτέλεσμα, η φασματοσκοπία λέιζερ είναι περίπου οκτώ εκατομμύρια φορές πιο ευαίσθητη στο μέγεθος των σωματιδίων α όταν χρησιμοποιείται ένα μιονικό ιόν ηλίου, σε σχέση με ένα συνηθισμένο φορτισμένο ιόν ηλίου.

Τελικά ο προσδιορισμός της ακτίνας των σωματιδίων α έγινε με ακρίβεια μόλις ενός attometre (10-18m), το οποίο είναι περίπου 1.000 το μέγεθος της ακτίνας πρωτονίων. Η ακτίνα που προέκυψε είναι rα=1,66824(83) femtometres, και είναι περίπου πέντε φορές ακριβέστερη σε σχέση με τις μετρήσεις που βασίζονται στη σκέδαση ηλεκτρονίων με ήλιο-6 (^{6}_{2}He). Για πρώτη φορά, τα αποτελέσματα από τη φασματοσκοπία λέιζερ των μιονικών ατόμων και της σκέδασης ηλεκτρονίων βρίσκονται σε εξαιρετική συμφωνία, κάτι που δεν ισχύει για τις αντίστοιχες μετρήσεις με πρωτόνια ή πυρήνες δευτερίου.

 διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες ΕΔΩ:  Helium nucleus measured with record precision

διαβάστε επίσης: Η διέγερση ενός εξωτικού ατόμου



Κατηγορίες:ΑΤΟΜΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ, ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ, ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ, ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΑ

Ετικέτες: ,

Σχολιάστε

Εισάγετε τα παρακάτω στοιχεία ή επιλέξτε ένα εικονίδιο για να συνδεθείτε:

Λογότυπο WordPress.com

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Google

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Google. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Twitter

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Σύνδεση με %s

Ο ιστότοπος χρησιμοποιεί το Akismet για την εξάλειψη των ανεπιθύμητων σχολίων. Μάθετε πως επεξεργάζονται τα δεδομένα των σχολίων σας.

Αρέσει σε %d bloggers: