פיזיקאים מודדים תכונות גרעיניות של פרמיום

פיזיקאים ב-מתקן מאיץ GSI/FAIRהשיגו תובנות לגבי המבנה של גרעיני אטום שלפרמיום, יסוד כימי סינתטי מסדרת האקטינואידים עם מספר אטומי 100. באמצעות טכניקות ספקטרוסקופיה בלייזר, הם עקבו אחר התפתחות רדיוס המטען הגרעיני ומצאו עלייה מתמדת ככל שנוספו נויטרונים לגרעין.

איזוטופים פרמיום נחקרו על ידי Warbineket al. מודגשים בתרשים זה. קרדיט תמונה: S. Raeder.

"הגרעינים הכבדים ביותר שידעו עד כה חייבים את קיומם להשפעות קוונטיות-מכניות-גרעיניות", אמר ד"ר סבסטיאן ריידר, חוקר ב-Helmholtz-Institut Mainz וב-GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, ועמיתיו.

"אלה מגבירים את היציבות של גרעינים נגד ביקוע ספונטני, ומאפשרים היווצרות של גרעינים כבדים".

"במספרים ספציפיים של פרוטונים (Z) או נויטרונים (N), מה שנקרא מספרי קסם, קליפות נוקלאוניות מציגות פערי אנרגיה גדולים, וכתוצאה מכך ליציבות גרעינית מוגברת."

"זה מקביל לקליפות האלקטרונים הסגורות של גזים אצילים וכתוצאה מכך לאינרציות הכימית שלהם."

"הגרעין הכבד ביותר הידוע עם מספר קסם עבור פרוטונים (Z = 82) והניטרונים (N = 126) הוא עופרת-208, גרעין כדורי."

"מיקומו של פער המעטפת הכדורי הבא מעבר לעופרת-208 עדיין לא ידוע; מודלים גרעיניים מנבאים אותו לרוב ב-Z = 114, Z = 120 או Z = 126, ו-N = 172 או N = 184."

"השונות הזו בתחזיות נובעת בעיקר, בין שאר הגורמים, מצפיפות גדולה של רמת חלקיקים בודדים בגרעינים הכבדים ביותר."

באמצעות שיטה מבוססת לייזר, המחברים חקרו גרעינים אטומיים של פרמיום, שיש להם 100 פרוטונים (Z = 100), ובין 145 ל-157 נויטרונים (N = 145-157).

באופן ספציפי, הם חקרו את ההשפעה של השפעות קליפות קוונטיות על גודל גרעיני האטום.

"זה איפשר לשפוך אור על מבנה הגרעינים הללו בטווח סביב אפקט המעטפת הידוע בניוטרונים מספר 152 מנקודת מבט חדשה", אמר ד"ר ריידר.

"במספר הנייטרונים הזה, החתימה של סגירת מעטפת נויטרונים נצפתה בעבר במגמות של אנרגיית הקישור הגרעיני".

"עוצמת אפקט המעטפת נמדדה על ידי מדידות מסה ברמת דיוק גבוהה ב-GSI/FAIR ב-2012."

"מכיוון שמסה שווה ערך לאנרגיה על פי איינשטיין, מדידות המסה הללו נתנו רמזים לגבי האנרגיה המחייבת הנוספת שאפקט המעטפת מספק."

"גרעיני אטום סביב נויטרונים מספר 152 הם שולחן בדיקה אידיאלי למחקרים מעמיקים יותר, מכיוון שהם במקרה מעוצבים יותר כמו כדור רוגבי, ולא כדורי."

"דפורמציה זו מאפשרת לפרוטונים הרבים בגרעינים שלהם להיות רחוקים יותר מאשר בגרעין כדורי."

לצורך המדידות הנוכחיות, החוקרים בחנו איזוטופים של פרמיום עם משך חיים שנעים בין שניות בודדות למאה ימים, תוך שימוש בשיטות שונות לייצור איזוטופי הפרמיום ובאמצעות פיתוחים מתודולוגיים בטכניקות הספקטרוסקופיה של לייזר.

האיזוטופים קצרי-החיים יוצרו במתקן המאיץ GSI/FAIR, כשבמקרים מסוימים רק כמה אטומים לדקה זמינים לניסויים.

הגרעינים שנוצרו נעצרו בגז ארגון ונקלטו אלקטרונים ליצירת אטומים ניטרליים, שנבדקו לאחר מכן באור לייזר.

איזוטופי הפרמיום (fermium-255, fermium-257) העשירים בניוטרונים וארוכים חיים הופקו בכמויות פיקוגרם במעבדה הלאומית Oak Ridge באוק רידג', ארה"ב, וב-Institut Laue-Langevinat Grenoble, צרפת.

התוצאות שלהם מספקות תובנה לגבי השינויים ברדיוס המטען הגרעיני באיזוטופי פרמיום על פני הנייטרון מספר 152 והראו עלייה קבועה ואחידה.

"תוצאות הניסוי שלנו ופרשנותן בשיטות תיאורטיות מודרניות מראים שבגרעיני הפרמיום, להשפעות של קונכיות גרעיניות יש השפעה מופחתת על רדיוסי המטען הגרעיני, בניגוד להשפעה החזקה על אנרגיות הקישור של הגרעינים הללו", אמרה ד"ר ג'סיקה. Warbinek, חוקר ב-CERN.

"התוצאות מאששות תחזיות תיאורטיות לפיהן השפעות מעטפת מקומיות, הנובעות ממעט נויטרונים ופרוטונים בודדים, מאבדות השפעה כאשר המסה הגרעינית גדלה."

"במקום זאת, שולטים השפעות שיש לייחס לכל ההרכב המלא של כל הגרעינים, כאשר הגרעינים נתפסים דווקא כטיפת נוזל טעונה."

התוצאותפורסמו בכתב העתטֶבַע.

_____

מאת J. Warbinet al. 2024. מגמות חלקות ברדיוסי מטען פרמיום והשפעת השפעות המעטפת.טֶבַע634, 1075-1079; שניים: 10.1038/s41586-024-08062-z