Suche
Mein Konto
Knust atomkerner: afslører deres mystiske former
Fysikere bruger kollisioner med høj energi til at studere former for atomiske kerner, som kan revolutionere forståelsen af kemiske processer.
Knust atomkerner: afslører deres mystiske former
Fysikere har opdaget en ny måde at studere formen på atomkerner - ved at ødelægge dem i kollisioner med høj energi. Denne metode kan hjælpe forskere med bedre at forstå formerne af kerner, som for eksempel påvirker dannelseshastigheden af elementer i stjerner og hjælper med at bestemme, hvilke materialer der er bedst egnet som nukleare brændstof.
”Formen på kerner påvirker næsten alle aspekter af atomkernen og nukleare processer,” siger Jie Meng, en nuklear fysiker ved Peking University i Beijing. Den nye billeddannelsesmetode, der blev offentliggjort 6. november i tidsskriftet Nature, repræsenterer "et vigtigt og spændende fremskridt", sagde Meng.
Et team ved den relativistiske Heavy Ion Collider (RHIC) på Brookhaven National Laboratory i Upton, New York, kolliderede to bjælker af uranium-238-og senere to bjælker af guld-at ekstreme energier. De kolliderede "så voldsomt, at vi dybest set smeltede kernerne i en suppe," siger medforfatter Jiangyong Jia, en fysiker ved Stony Brook University i New York.
Det varme plasma, der blev skabt af kollisionerne, udvides meget hurtigt under pres, og dette var knyttet til den oprindelige form af kernerne. Ved hjælp af en detektor kaldet Molenoidal Tracker hos RHIC eller STAR, der opdagede momentumet for flere tusinde partikler produceret af begge typer kollisioner og matchede resultaterne med modeller, var teamet i stand til at "vende uret tilbage for at udlede formen på kerne," forklarer Jia.
Skjulte figurer
En atomkerne består af protoner og neutroner, der optager energiniveauer som elektroner. Generelt tager partiklerne en form, der minimerer systemets energi. I lighed med en dråbe vand kan kernen påtage sig forskellige former, herunder en pære, amerikansk fodbold eller jordnøddeskal. Formen på en kerne er "meget vanskelig at forudsige teoretisk," siger Jia. Hun kan også Over tid på grund af kvanteudsving variere.
Tidligere eksperimenter til at undersøge den form involverede afbøjning af lavenergi-ioner væk fra kernerne. Denne metode - kaldet Coulomb -excitation - begejstrer kernerne, og den stråling, de udsender, når de falder tilbage til deres jordtilstand, afslører aspekter af deres form. Da tidsskalaen er relativt lang, kan denne type billeddannelse kun vise et langsigtet billede, der viser gennemsnittet af alle formsvingninger.
I modsætning hertil tilvejebringer metoden med højenergi-kollision et øjeblikkeligt billede af kernerne under påvirkning. Det er en mere direkte metode, hvilket gør den mere velegnet til at studere eksotiske former, siger Jia.
Teknikken bekræftede, at guld havde en næsten sfærisk form, der var konsistent fra det ene billede til det næste. I modsætning hertil ændrede uranformen ændrede sig i snapshots, da kernerne kolliderede i forskellige orienteringer. Dette gjorde det muligt for forskere at beregne de relative længder af urankernen i tre dimensioner, hvilket antyder, at uran ikke kun er strakt, men også lidt komprimeret i en dimension, svarende til en deflateret amerikansk fodbold.
"Det er fascinerende, at det fungerede", og at andre nukleare processer ikke påvirkede emissionen af partiklerne og maske deformationen, siger Magdalena Zielińska, en nuklear fysiker ved det franske agentur for alternative energier og atomenergi nær Paris.
Hård eller blød?
Denne type billeddannelse kan hjælpe med at tackle den udfordrende opgave at skelne mellem kerner, der er 'stive', hvilket betyder, at de har veldefinerede former, og 'bløde', der svinger, siger Zielińska.
Jia siger, at hans team også ønsker at bruge metoden til at studere forskellene mellem lette ioner som ilt og neon. Oxygenkerner er næsten sfæriske, mens neonkerner - som bærer yderligere to protoner og to neutroner - anses for at være bøjet ud. Sammenligning af deres former ville give forskere mulighed for at forstå, hvordan protoner og neutroner danner klynger i kernerne, sagde Jia.
Oplysninger om form kan også afsløre, om kerner sandsynligvis vil interagere med hinanden eller gennemgå en nuklear fissionsreaktion, og kan øge sandsynligheden for en proces, der kaldes Neutrino-mindre dobbelt ß-nedgang At finde ud af, hvad der kan hjælpe med at løse nogle mangeårige mysterier i fysik. Cirka 99,9% af det synlige stof er i centrum af atomer, siger Jia. ”At forstå den nukleare byggesten er praktisk talt kernen i forståelsen af, hvem vi er.”
-
Star Collaboration Nature https://doi.org/10.1038/S41586-024-08097-2 (2024).