Разбити атомни ядра: разкриване на мистериозните им форми

Разбити атомни ядра: разкриване на мистериозните им форми

Физиците са открили нов начин за изследване на формата на атомните ядра - чрез унищожаването им при високоенергийни сблъсъци. Този метод може да помогне на учените да разберат по-добре формите на ядрата, което влияе например върху скоростта на образуване на елементи в звездите и помага да се определи кои материали са най-подходящи като ядрено гориво.

„Формата на ядрата влияе върху почти всички аспекти на атомното ядро ​​и ядрените процеси“, казва Джие Мън, ядрен физик в Пекинския университет в Пекин. Новият метод за изображения, публикуван на 6 ноември в списанието Nature, представлява "важен и вълнуващ напредък", каза Менг.

Екип от релативистичния ускорител на тежки йони (RHIC) в Националната лаборатория Брукхейвън в Ъптън, Ню Йорк, сблъска два лъча уран-238 - и по-късно два лъча злато - при екстремни енергии. Те се сблъскаха „толкова яростно, че на практика разтопихме ядрата в супа“, казва съавторът Jiangyong Jia, физик от университета Stony Brook в Ню Йорк.

Горещата плазма, създадена от сблъсъците, се разширява много бързо под налягане и това е свързано с първоначалната форма на ядрата. С помощта на детектор, наречен Solenoidal Tracker в RHIC или STAR, който открива импулса на няколко хиляди частици, произведени от двата вида сблъсъци и съпоставя резултатите с моделите, екипът успя да "върне часовника назад, за да заключи формата на ядрата", обяснява Джия.

Скрити фигури

Атомното ядро ​​се състои от протони и неутрони, които заемат енергийни нива като електроните. Като цяло, частиците приемат форма, която минимизира енергията на системата. Подобно на капка вода, сърцевината може да приеме различни форми, включително тази на круша, американски футбол или черупка от фъстъци. Формата на ядрото е „много трудна за прогнозиране теоретично“, казва Джия. Тя също може с течение на времето поради квантови флуктуации варират.

Предишни експерименти за изследване на формата включваха отклоняване на нискоенергийни йони от ядрата. Този метод - наречен кулоново възбуждане - възбужда ядрата и излъчваното от тях излъчване, докато се връщат обратно в основното си състояние, разкрива аспекти на тяхната форма. Тъй като времевата скала е относително дълга, този тип изображения могат да показват само дългосрочно изображение, което показва средната стойност на всички колебания на формата.

За разлика от това, методът на високоенергийния сблъсък осигурява моментално изображение на ядрата по време на удара. Това е по-директен метод, което го прави по-подходящ за изучаване на екзотични форми, казва Джия.

The technique confirmed that gold had a nearly spherical shape that was consistent from one image to the next. In contrast, the uranium shape changed in the snapshots as the nuclei collided in different orientations. Това позволи на изследователите да изчислят относителните дължини на ядрото на урана в три измерения, което предполага, че уранът е не само разтегнат, но и леко компресиран в едно измерение, подобно на изпуснат американски футбол.

„Очарователно е, че проработи“ и че други ядрени процеси не повлияха на излъчването на частиците и не маскираха деформацията, казва Магдалена Зелинска, ядрен физик във Френската агенция за алтернативни енергии и атомна енергия близо до Париж.

Твърд или мек?

Този тип изображения може да помогне за справяне с предизвикателната задача за разграничаване между ядра, които са „твърди“, което означава, че имат добре дефинирани форми, и „меки“, които се колебаят, казва Zielińska.

Джия казва, че екипът му също иска да използва метода за изследване на разликите между леки йони като кислород и неон. Кислородните ядра са почти сферични, докато неоновите ядра - които носят допълнителни два протона и два неутрона - се считат за извити. Сравняването на техните форми ще позволи на изследователите да разберат как протоните и неутроните образуват клъстери в ядрата, каза Джия.

Информацията за формата може също да разкрие дали е вероятно ядрата да взаимодействат едно с друго или да претърпят реакция на ядрено делене и може да увеличи вероятността от процес, наречен двойно без неутрино β-разпад за да открием какво може да помогне за разрешаването на някои дългогодишни мистерии във физиката. Около 99,9% от видимата материя е в центъра на атомите, казва Джия. „Разбирането на ядрения градивен елемент е на практика в основата на разбирането кои сме ние.“

1. STAR Collaboration Nature https://doi.org/10.1038/s41586-024-08097-2 (2024).

   статия
   
   Google Наука

Изтегляне на цитати