W pewnych warunkach w jądrach ołowiu 208 powstają nowe, stosunkowo trwałe i nieprzewidziane przez teorię stany energetyczne - przekonali się fizycy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie, którzy od kilkunastu lat we współpracy z naukowcami z Argonne National Laboratory (ANL) w Illinois (USA) prowadzą badania nad własnościami jąder atomów ołowiu 208. Co więcej, natrafili na wskazówki sugerujące istnienie w takich jądrach nieobserwowanej dotąd struktury o kolektywnym charakterze.

Wyniki, o których informuje IFJ PAN w przesłanym PAP komunikacie prasowym, opublikowane zostały w czasopiśmie "Physical Review C". Są one podsumowaniem eksperymentów przeprowadzonych w ANL z użyciem nadprzewodzącego akceleratora ATLAS oraz Gammasphere, najbardziej wyrafinowanego detektora promieniowania gamma na świecie.

"Jądra atomowe można wzbudzać do różnych stanów energetycznych, w tym do takich, w których będą bardzo szybko wirować. Jednak nie wszystkie jądra w takich stanach muszą się rzeczywiście obracać" - mówi pierwszy autor publikacji, prof. dr hab. Rafał Broda z IFJ PAN. - "Jądro ołowiu 208 składa się z 82 protonów i 126 neutronów i z bardzo dobrym przybliżeniem może być traktowane jako kuliste" - wyjaśnia badacz.

"Gdy za pomocą równań mechaniki kwantowej opisujemy jądra o takim kształcie, mówienie o obrocie jądra przestaje mieć sens, ponieważ pozycje w różnych fazach obrotu są nierozróżnialne, nie ma więc zmian energii" - tłumaczy prof. Broda. - "Dlatego przyjmuje się, że jądra kuliste nie wirują, a związana z obrotem wielkość fizyczna – spin jądra – pochodzi w całości od kilku sprzężonych ze sobą nukleonów poruszających się po swoich orbitach. Tymczasem z naszych badań wynika, że w jądrach ołowiu 208 obserwuje się w szerokim zakresie wielkości spinu, aż po stany wysokospinowe, sekwencję stanów, którą można interpretować jako związaną z kolektywnym obrotem. Pytanie za milion brzmi więc: co w takim jądrze się obraca?"

We współczesnej fizyce budowę całych atomów opisuje się za pomocą tzw. modelu powłokowego. Przyjmuje się w nim, że elektrony, niosące ujemny ładunek elektryczny, poruszają się w znacznych odległościach wokół dodatnio naładowanego, praktycznie punktowego jądra. Duże prawdopodobieństwo znalezienia elektronu jest jednak tylko w pewnych obszarach – tam, gdzie energia elektronów przyjmuje ściśle określone wartości. Jądro w atomie jest więc otoczone przez przestrzenną strukturę, utworzoną przez mniejszą lub większą liczbę powłok energetycznych. Każda powłoka ma pewną maksymalną pojemność i jeśli liczba elektronów ją przekroczy, nadmiarowe elektrony muszą się rozlokować na następnej, bardziej oddalonej od jądra powłoce.

Gdy najbardziej zewnętrzna powłoka elektronowa zapełni się elektronami, atom niechętnie wchodzi w reakcje z innymi atomami bądź cząsteczkami. W chemii takie pierwiastki nazywa się gazami szlachetnymi ze względu na ich szczególną stabilność i brak aktywności chemicznej.

Jądra atomowe to obiekty znacznie bardziej złożone od atomów, traktowanych jako punktowy ładunek dodatni otoczony gromadką odległych elektronów. Nukleony, czyli tworzące jądra protony i neutrony, mają masy tysiące razy większe niż elektron - co więcej, wszystkie cząstki znajdują się blisko siebie i wchodzą w liczne interakcje. Dlatego w swoim czasie dużym zaskoczeniem dla fizyków było odkrycie, że model powłokowy sprawdza się także w odniesieniu do jąder atomowych.

Tutaj jednak sytuacja jest ciekawsza, bo neutrony i protony tworzą w jądrze własne powłoki, które są szczególnie stabilne dla liczb nukleonów znanych jako liczby magiczne. Jądra z całkowicie zapełnionymi powłokami protonowymi i neutronowymi nazywane są podwójnie magicznymi. Ołów 208 jest w tym gronie wyjątkowy, ponieważ jest najbardziej masywnym jądrem "podwójnie magicznym".

Własności jąder ołowiu 208 w stanach o małym spinie są poznane dość dobrze, ale w przypadku stanów wysokospinowych do niedawna było znacznie gorzej. Jądra atomowe w takich stanach wytwarza się bowiem w procesie fuzji zachodzącej w zderzeniach, do których dochodzi podczas ostrzału tarczy z odpowiednio dobranego materiału dopasowanymi cząstkami bombardującymi. Nie istnieje jednak kombinacja cząstki-tarcza zdolna wyprodukować jądra ołowiu 208 w stanach wysokospinowych. Dlatego od trzech dekad grupa krakowska pod kierunkiem prof. Brody pracuje nad wykorzystaniem zderzeń głęboko nieelastycznych do badań jąder niedostępnych w procesach fuzji. W zderzeniach tego typu jądra bombardujące wchodzą w interakcję z jądrami tarczy, ale się z nimi nie zlewają.

"Jądro w stanie wysokospinowym – efekt zderzenia głęboko nieelastycznego – jest wzbudzone i stara się powrócić do stanu o najniższej energii" - wyjaśnia dr Łukasz Iskra z IFJ PAN. - "Pozbywa się jej nadmiaru w kilku-kilkunastu etapach, w każdym emitując promieniowanie gamma o charakterystycznej dla danego przeskoku energii. Analizując energie tego promieniowania jesteśmy w stanie zdobyć wiele informacji o budowie jąder atomowych i zachodzących w nich procesach.

W najnowszej analizie wykorzystano pomiary zrealizowane w ANL z grupą prof. Roberta Janssensa. W doświadczeniach tych tarcze z ołowiu 208 lub uranu 238 ostrzeliwano jonami ołowiu 208, selenu 82, germanu 76, niklu 64 bądź wapnia 48. Promieniowanie gamma rejestrował detektor Gammasphere, składający się ze 108 wysokiej jakości detektorów germanowych (ten spektakularny przyrząd robi również karierę filmową - można go zobaczyć m.in. w filmie "The Hulk").

Ku zaskoczeniu badaczy, wykryli oni w jądrach ołowiu 208 struktury i zjawiska nieprzewidziane przez dotychczasową teorię. Zaobserwowali wiele nowych stanów energetycznych, a trzy z nich okazały się stanami izomerycznymi, a więc znacznie trwalszymi niż inne. W zwykłych stanach jądro znajduje się przez pikosekundy. Tymczasem w jednym ze znalezionych stanów izomerycznych jądro przebywało nawet 60 nanosekund (miliardowych części sekundy), czyli tysiące razy dłużej.

Jak jednak podkreślają badacze w przesłanym PAP komunikacie, najciekawsze okazały się wyniki sugerujące kolektywną rotację – w jądrze, które przecież jest kuliste, a więc z punktu widzenia mechaniki kwantowej nie powinno się obracać. Naukowcy przypuszczają, że przy dużych spinach w jądrze ołowiu 208 tworzy się sztywny rdzeń, którym jest drugie pod względem masy podwójnie magiczne jądro, czyli cyna 132. Wydaje się, że rdzeń ten nie wiruje, za to obraca się warstwa zewnętrzna, uformowana przez pozostałe 76 nukleonów.

"Począwszy od pewnych stanów wysokospinowych, jądro ołowiu 208 przestaje być obiektem jednorodnie sztywnym, takim jak na przykład geologicznie niemal martwy Księżyc. Lepszą analogią astronomiczną byłby obiekt skalisty z bardzo gęstą atmosferą, jednak nie tak spokojną, jak na Wenus czy Tytanie. Ta atmosfera powinna się szybko przemieszczać nad powierzchnią, a zatem mogłaby mieć naturę globalnego huraganu" - tłumaczy prof. Broda.

We współczesnej fizyce model powłokowy jest podstawowym narzędziem opisu jąder atomowych. Nowe efekty, dotychczas niemożliwe do przewidzenia, a wykryte dzięki polsko-amerykańskim eksperymentom z jądrami ołowiu 208, umożliwią teoretykom uwzględnienie w nim kolejnych zjawisk i zwiększą precyzję jego przewidywań.

PAP - Nauka w Polsce

kflo/ zan/