Forskare föreställer sig generellt att atomkärnor är mer eller mindre sfäriska kluster av protoner och neutroner, men alltid relativt kaotiskt. Experiment på Argonne National Laboratory, inspirerad av fysiker från Institutet för kärnfysik vid den polska vetenskapsakademin i Krakow, försöker verifiera denna enkla modell. För att använda en astronomisk analogi, så mycket som majoriteten av kärnorna är lika i konturerna som steniga föremål som månar eller asteroider, då liknar bly-208-kärnorna under vissa förhållanden planeter omgivna av en tät atmosfär som kan röra sig runt en stel kärna.

I ett dussin år eller så, fysiker från USA och Polen har undersökt egenskaperna hos kärnorna i bly-208-atomer. En nyligen publicerad analys som sammanfattar de experiment som utförts vid ANL med den supraledande acceleratorn ATLAS och gammastråldetektorn Gammasphere har gett intressanta slutsatser. Det visar sig att under vissa förhållanden, ny, relativt stabila energitillstånd som inte förutsägs av teorin produceras i bly-208 kärnor. Vad mer, det finns indikationer som tyder på att sådana kärnor uppvisar en tidigare okänd struktur av kollektiv karaktär.

"Atomkärnor kan exciteras till en mängd olika energitillstånd, inklusive de där de snurrar snabbt. Dock, inte alla kärnor i sådana tillstånd måste faktiskt snurra, " säger Prof. Rafal Broda (IFJ PAN), den första författaren som tidningen publicerades i Fysisk granskning C . "Kärnan i bly-208 består av 82 protoner och 126 neutroner och, med en mycket bra uppskattning, kan anses sfärisk. När vi använder kvantmekaniska ekvationer för att beskriva kärnor av denna form, Att diskutera kärnans spinning blir meningslöst - positionerna i olika faser av spinn går inte att särskilja, så det finns inga förändringar i energi. Därför, det antas att sfäriska kärnor inte snurrar, och den spinnrelaterade fysiska storleken – kärnans spinn – härrör helt och hållet från flera kopplade nukleoner som rör sig runt deras banor. Under tiden, vår forskning visar att i kärnorna av bly-208, ett brett spektrum av spin-värden observeras, upp till högsnurrtillstånd, en sekvens av tillstånd som kan tolkas som relaterade till kollektivt spinn. $64, 000 fråga, sedan, är "Vad är det som snurrar i en sådan kärna?"

I modern fysik, strukturen av hela atomer beskrivs med hjälp av en skalmodell. Detta förutsätter att elektroner, bär en negativ elektrisk laddning, röra sig på avsevärda avstånd runt en positivt laddad, praktiskt taget punkterad kärna. Dock, sannolikheten att hitta en elektron är bara hög i vissa områden, där elektronenergin antar strikt definierade värden. Kärnan i atomen är därför omgiven av en rumslig struktur som bildas av ett mindre eller större antal energiska skal. Varje skal har en viss maximal kapacitet, och om antalet elektroner överstiger denna kapacitet, överskottet av elektroner måste gå över till nästa skal, längre bort från kärnan.

När det yttersta elektronskalet fylls med elektroner, atomen är ovillig att reagera med andra atomer eller molekyler. I kemi, sådana grundämnen kallas ädelgaser på grund av deras speciella stabilitet och brist på kemisk aktivitet.

Atomkärnor är mycket mer komplexa föremål än atomer som behandlas som en punktformig positiv laddning omgiven av en grupp av avlägsna elektroner. Nukleoner, eller protonerna och neutronerna som utgör kärnan, har massor som är tusentals gånger större än elektronen, och dessutom, alla partiklar är nära varandra och ingår i många nukleära och elektromagnetiska interaktioner. Därför, det var en stor överraskning för fysiker att upptäcka att skalmodellen också fungerar för atomkärnor. Dock, situationen här är mer intressant, eftersom neutronerna och protonerna bildar sina egna skal i kärnorna, som är särskilt stabila för antalet nukleoner som är kända som magiska tal. Fysiker kallar kärnor med helt fyllda proton- och neutronskal för dubbelt magi. Bly-208 är unik i denna grupp eftersom det är den mest massiva dubbelmagiska kärnan.

Egenskaperna hos bly-208 kärnor i lågspinntillstånd är ganska välkända, men när det gäller stater med hög spinn, detta var inte fallet förrän nyligen. Atomkärnor i sådana tillstånd produceras genom fusionsprocessen som sker i kollisioner som inträffar när ett mål tillverkat av ett lämpligt utvalt material bombarderas med matchade partiklar. Tyvärr, det finns ingen partikel-målkombination som kan producera bly-208 kärnor i högspintillstånd. Det är därför i tre decennier, Krakowgruppen under ledning av prof. Broda har arbetat med användningen av djupa oelastiska kollisioner för att studera kärnor som är otillgängliga i fusionsprocesser. Vid kollisioner av det här slaget, de bombarderande kärnorna interagerar med målkärnorna, men gå inte samman med dem.

"I ett tillstånd med hög spinn - effekten av en djup oelastisk kollision - är kärnan exciterad och försöker återgå till det lägsta energitillståndet. Den blir av med sitt överskott i flera till några dussin steg, var och en avger gammastrålning med en energikaraktäristik för dess övergång. Genom att analysera energierna av denna strålning, vi kan få mycket information om strukturen hos atomkärnor och de processer som äger rum inom dem, " förklarar Dr. Lukasz Iskra (IFJ PAN).

Den senaste analysen använder mätningar gjorda vid ANL tillsammans med prof. Robert Janssens grupp. I dessa experiment, bly-208- eller uran-238-mål bombarderades med joner av bly-208, selen-82, germanium-76, nickel-64 eller kalcium-48. Gammastrålningen registrerades av en gammasfärdetektor, bestående av 108 högkvalitativa germaniumdetektorer (det här spektakulära instrumentet kan ses, bland andra, i filmen Hulken ).

Till forskarnas förvåning, den senaste analysen resulterade i att detektera strukturer och fenomen i bly-208 kärnor som inte förutsågs av nuvarande teori. Många nya energitillstånd observerades, och tre visade sig vara isomera tillstånd, och därmed mycket stabilare än andra. I normala tillstånd, kärnan uppstår i pikosekunder, medan i ett av de isomera tillstånden, kärnan upptäcktes i upp till 60 nanosekunder (miljarddelar av en sekund) – det vill säga, tusen gånger längre.

Av mest intresse var resultaten som tydde på kollektivt spinn i en kärna som är sfärisk, och bör därför inte snurra, enligt kvantmekaniken. Forskare antar att vid höga snurr, en stel kärna bildas i kärnan av bly-208; den näst högsta elementära massan är den dubbla magiska kärnan, dvs tenn-132. Det verkar som att den här kärnan inte snurrar, men det yttre lagret som bildas av de andra 76 nukleonerna roterar.

"Börjar med vissa högsnurrtillstånd, bly-208 kärnan upphör att vara ett homogent stelt objekt, Till exempel, till exempel, den geologiskt nästan döda månen. En bättre astronomisk analogi skulle vara en stenig kropp med en mycket tät atmosfär, men inte lika lugn som Venus eller Titan. Denna atmosfär bör röra sig snabbt över ytan, så det kan vara som en global orkan, " säger Prof. Broda. Den här nya modellen kommer att göra det möjligt för teoretiker att införliva ytterligare fenomen och öka precisionen i dess förutsägelser.