Suche
Mein Konto
Verbrijzelde atoomkernen: onthullen hun mysterieuze vormen
Natuurkundigen gebruiken botsingen met hoge energie om de vormen van atoomkernen te bestuderen, wat een revolutie teweeg zou kunnen brengen in het begrip van chemische processen.
Verbrijzelde atoomkernen: onthullen hun mysterieuze vormen
Natuurkundigen hebben een nieuwe manier ontdekt om de vorm van atoomkernen te bestuderen: door ze te vernietigen bij botsingen met hoge energie. Deze methode zou wetenschappers kunnen helpen de vormen van kernen beter te begrijpen, die bijvoorbeeld de snelheid van de vorming van elementen in sterren beïnvloeden en helpen bepalen welke materialen het meest geschikt zijn als nucleaire brandstof.
“De vorm van kernen beïnvloedt bijna alle aspecten van de atoomkern en nucleaire processen”, zegt Jie Meng, kernfysicus aan de Universiteit van Peking in Peking. De nieuwe beeldvormingsmethode, gepubliceerd op 6 november in het tijdschrift Nature, vertegenwoordigt "een belangrijke en opwindende vooruitgang", aldus Meng.
Een team van de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) van het Brookhaven National Laboratory in Upton, New York, liet twee stralen uranium-238 (en later twee stralen goud) met extreme energieën in botsing komen. Ze botsten ‘zo hevig dat we de kernen feitelijk tot een soep smolten’, zegt medeauteur Jiangyong Jia, natuurkundige aan de Stony Brook University in New York.
Het hete plasma dat door de botsingen ontstond, zette onder druk zeer snel uit, en dit hield verband met de oorspronkelijke vorm van de kernen. Met behulp van een detector genaamd de Solenoidal Tracker bij RHIC, of STAR, die het momentum detecteerde van enkele duizenden deeltjes geproduceerd door beide soorten botsingen en de resultaten koppelde aan modellen, was het team in staat "de klok terug te draaien om de vorm van de kernen af te leiden", legt Jia uit.
Verborgen figuren
Een atoomkern bestaat uit protonen en neutronen, die net als elektronen energieniveaus bezetten. Over het algemeen nemen de deeltjes een vorm aan die de energie van het systeem minimaliseert. Net als een waterdruppel kan de kern verschillende vormen aannemen, waaronder die van een peer, American football of pindadop. De vorm van een kern is “theoretisch erg moeilijk te voorspellen”, zegt Jia. Zij kan het ook in de loop van de tijd als gevolg van kwantumfluctuaties variëren.
Eerdere experimenten om de vorm te onderzoeken, omvatten het afbuigen van laagenergetische ionen weg van de kernen. Deze methode, Coulomb-excitatie genoemd, exciteert de kernen, en de straling die ze uitzenden als ze terugvallen naar hun grondtoestand onthult aspecten van hun vorm. Omdat de tijdschaal relatief lang is, kan dit type beeldvorming alleen een langetermijnbeeld weergeven dat het gemiddelde van alle vormfluctuaties weergeeft.
De botsingsmethode met hoge energie levert daarentegen een onmiddellijk beeld op van de kernen tijdens de botsing. Het is een directere methode, waardoor het geschikter is voor het bestuderen van exotische vormen, zegt Jia.
De techniek bevestigde dat goud een bijna bolvormige vorm had die consistent was van het ene beeld tot het andere. Daarentegen veranderde de vorm van uranium in de snapshots toen de kernen in verschillende oriëntaties met elkaar botsten. Hierdoor konden onderzoekers de relatieve lengtes van de uraniumkern in drie dimensies berekenen, wat suggereert dat uranium niet alleen in één dimensie wordt uitgerekt, maar ook lichtjes wordt samengedrukt, vergelijkbaar met een leeggelopen American football.
"Het is fascinerend dat het werkte" en dat andere nucleaire processen de emissie van de deeltjes niet beïnvloedden en de vervorming niet maskeerden, zegt Magdalena Zielińska, kernfysicus bij het Franse Agentschap voor Alternatieve Energie en Atoomenergie nabij Parijs.
Hard of zacht?
Dit type beeldvorming zou kunnen helpen bij het aanpakken van de uitdagende taak om onderscheid te maken tussen kernen die 'star' zijn, wat betekent dat ze goed gedefinieerde vormen hebben, en 'zachte' kernen, die fluctueren, zegt Zielińska.
Jia zegt dat zijn team de methode ook wil gebruiken om de verschillen tussen lichte ionen zoals zuurstof en neon te bestuderen. Zuurstofkernen zijn bijna bolvormig, terwijl neonkernen – die nog eens twee protonen en twee neutronen dragen – als uitgebogen worden beschouwd. Door hun vormen te vergelijken, zouden onderzoekers kunnen begrijpen hoe protonen en neutronen clusters in de kernen vormen, zei Jia.
Informatie over de vorm kan ook onthullen of het waarschijnlijk is dat kernen met elkaar zullen interageren of een kernsplijtingsreactie zullen ondergaan, en kan de waarschijnlijkheid vergroten van een proces dat neutrino-minder dubbel β-verval om te ontdekken wat zou kunnen helpen bij het oplossen van enkele al lang bestaande mysteries in de natuurkunde. Ongeveer 99,9% van de zichtbare materie bevindt zich in het centrum van atomen, zegt Jia. “Het begrijpen van de nucleaire bouwsteen vormt vrijwel de kern van het begrijpen van wie we zijn.”
-
STAR Samenwerking Natuur https://doi.org/10.1038/s41586-024-08097-2 (2024).