النوى الذرية المحطمة: الكشف عن أشكالها الغامضة

النوى الذرية المحطمة: الكشف عن أشكالها الغامضة

اكتشف الفيزيائيون طريقة جديدة لدراسة شكل النوى الذرية، وذلك من خلال تدميرها في تصادمات عالية الطاقة. يمكن أن تساعد هذه الطريقة العلماء على فهم أشكال النوى بشكل أفضل، مما يؤثر، على سبيل المثال، على معدل تكوين العناصر في النجوم ويساعد في تحديد المواد الأكثر ملاءمة كوقود نووي.

يقول جي مينج، عالِم الفيزياء النووية بجامعة بكين في بكين: "يؤثر شكل النوى تقريبًا على جميع جوانب النواة الذرية والعمليات النووية". وقال منغ إن طريقة التصوير الجديدة، التي نشرت في 6 تشرين الثاني/نوفمبر في مجلة نيتشر، تمثل "تقدما مهما ومثيرا".

قام فريق من مصادم الأيونات الثقيلة النسبية (RHIC) في مختبر بروكهافن الوطني في أبتون، نيويورك، بتصادم شعاعين من اليورانيوم 238 - وبعد ذلك شعاعين من الذهب - في طاقات شديدة. يقول المؤلف المشارك جيانج يونج جيا، وهو فيزيائي في جامعة ستوني بروك في نيويورك: لقد اصطدموا "بعنف لدرجة أننا قمنا بإذابة النوى في الحساء".

توسعت البلازما الساخنة الناتجة عن الاصطدامات بسرعة كبيرة تحت الضغط، وكان هذا مرتبطًا بالشكل الأولي للنواة. باستخدام كاشف يسمى Solenoidal Tracker at RHIC، أو STAR، والذي اكتشف زخم عدة آلاف من الجسيمات الناتجة عن كلا النوعين من الاصطدامات وطابق النتائج مع النماذج، تمكن الفريق من "إعادة عقارب الساعة إلى الوراء لاستنتاج شكل النوى"، كما يوضح جيا.

شخصيات مخفية

تتكون النواة الذرية من بروتونات ونيوترونات، والتي تشغل مستويات طاقة مثل الإلكترونات. بشكل عام، تأخذ الجزيئات شكلًا يقلل من طاقة النظام. على غرار قطرة الماء، يمكن أن يتخذ القلب أشكالًا مختلفة، بما في ذلك شكل الكمثرى أو كرة القدم الأمريكية أو قشرة الفول السوداني. يقول جيا إن شكل النواة «من الصعب جدًا التنبؤ به نظريًا». يمكنها أيضًا مع مرور الوقت بسبب التقلبات الكمومية يتغير.

تضمنت التجارب السابقة لاستكشاف الشكل تشتيت الأيونات منخفضة الطاقة بعيدًا عن النواة. هذه الطريقة - التي تسمى إثارة كولوم - تثير النوى، والإشعاع الذي تنبعث منه عندما تعود إلى حالتها الأرضية يكشف جوانب من شكلها. ونظرًا لأن المقياس الزمني طويل نسبيًا، فإن هذا النوع من التصوير يمكنه فقط عرض صورة طويلة المدى توضح متوسط ​​جميع تقلبات الشكل.

وفي المقابل، توفر طريقة التصادم عالية الطاقة صورة لحظية للنواة أثناء الاصطدام. يقول جيا: إنها طريقة أكثر مباشرة، مما يجعلها أكثر ملاءمة لدراسة الأشكال الغريبة.

وأكدت هذه التقنية أن الذهب كان له شكل شبه كروي كان متناسقًا من صورة إلى أخرى. وفي المقابل، تغير شكل اليورانيوم في اللقطات مع اصطدام النوى في اتجاهات مختلفة. سمح هذا للباحثين بحساب الأطوال النسبية لنواة اليورانيوم في ثلاثة أبعاد، مما يشير إلى أن اليورانيوم ليس ممتدًا فحسب، بل أيضًا مضغوط قليلاً في بُعد واحد، على غرار كرة القدم الأمريكية المفرغة.

تقول ماجدالينا زيلينسكا، عالمة الفيزياء النووية في الوكالة الفرنسية للطاقات البديلة والطاقة الذرية بالقرب من باريس: "من المذهل أنها نجحت"، وأن العمليات النووية الأخرى لم تؤثر على انبعاث الجسيمات وتخفي التشوه.

صلبة أم ناعمة؟

يقول زيلينسكا إن هذا النوع من التصوير يمكن أن يساعد في معالجة المهمة الصعبة المتمثلة في التمييز بين النوى "الصلبة"، أي أن لها أشكالًا محددة جيدًا، والنوى "اللينة"، التي تتقلب.

يقول جيا إن فريقه يريد أيضًا استخدام هذه الطريقة لدراسة الاختلافات بين أيونات الضوء مثل الأكسجين والنيون. نواة الأكسجين تكون كروية تقريبًا، في حين أن نوى النيون - التي تحمل بروتونين إضافيين ونيوترونين - تعتبر منحنية. وقال جيا إن مقارنة أشكالها ستسمح للباحثين بفهم كيفية تشكيل البروتونات والنيوترونات لمجموعات في النواة.

يمكن أن تكشف المعلومات المتعلقة بالشكل أيضًا ما إذا كان من المحتمل أن تتفاعل النوى مع بعضها البعض أو تخضع لتفاعل الانشطار النووي، ويمكن أن تزيد من احتمال حدوث عملية تسمى النيوترينو أقل مزدوجة β- الاضمحلال لاكتشاف ما قد يساعد في حل بعض الألغاز القديمة في الفيزياء. يقول جيا إن حوالي 99.9% من المادة المرئية تقع في مركز الذرات. "إن فهم لبنة البناء النووي هو في الواقع جوهر فهم هويتنا."

1. طبيعة تعاون ستار https://doi.org/10.1038/s41586-024-08097-2 (2024).

   شرط
   
   جوجل الباحث العلمي

تحميل الاقتباسات