Pojedyncze protony lub neutrony w jądrach atomowych zachowują się inaczej, niż przewidywały to modele teoretyczne - odkryli fizycy, m.in. z Uniwersytetu Warszawskiego. Ich badania zmuszają do rewizji sposobu, w jaki od kilkudziesięciu lat opisywano duże jądra atomowe.

Pojedynczy proton lub neutron w zewnętrznej powłoce dużego jądra atomowego porusza się nieco inaczej niż przewidują współczesne modele teoretyczne, stwierdził międzynarodowy zespół naukowców, w skład którego wchodzili fizycy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Źródło: FUW

Jądra atomowe kształtują naszą rzeczywistość: aż 99,9 proc. masy otaczającej nas materii zawiera się właśnie w nich. Chociaż są tak wszechobecne, w wiedzy o nich jest ciągle wiele luk. Główną przeszkodą w budowie spójnego opisu teoretycznego jąder atomowych jest złożoność oddziaływań między ich elementami składowymi: protonami i neutronami. Sytuacja staje się szczególnie skomplikowana, gdy cząstek w jądrze jest bardzo dużo.

W publikacji w prestiżowym czasopiśmie fizycznym "Physical Review Letters" grupa naukowców z Polski (Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego - FUW), Finlandii i Szwecji wykazała konieczność zmodyfikowania stosowanego od kilkudziesięciu lat modelu jąder atomowych o określonej, dużej liczbie zarówno protonów i neutronów. Poinformowali o tym przedstawiciele FUW w przesłanym PAP komunikacie.

Dotąd naukowcy opisując to, co zachodzi w jądrze atomowym posługiwali się modelami podobnymi do tych opisujących elektrony. Zwykle przyjmuje się, że elektron porusza się w polu elektrostatycznym pochodzącym od pozostałych elektronów oraz odległego jądra atomowego. Model taki przewiduje, że w atomie tworzą się powłoki elektronowe o różnej pojemności: na pierwszej mieszczą się maksymalnie 2 elektrony, na drugiej 8, na trzeciej 18 itd. Tymczasem zastosowanie podobnego modelu dla jąder atomowych niekoniecznie musi być słuszne - oddziaływania te różnią się od siebie. "Protony i neutrony w jądrach atomowych są bardzo blisko siebie. Każdy z nich porusza się w polu, które sam także aktywnie kształtuje" - wyjaśnia inny współautor publikacji, dr Dimitar Tarpanov (FUW).

Stosowany dotąd model przewiduje istnienie w jądrze atomowym powłok - obszarów o największym prawdopodobieństwie przebywania protonu lub neutronu. Kolejne powłoki jądra mogą pomieścić maksymalnie 2, 8, 20, 28, 50, 82 i 126 protonów (te same liczby obowiązują dla powłok z neutronami). Całkowicie zapełnione powłoki pojawiają się także przy 114, 120 i 126 protonach oraz przy 184 neutronach. Liczby te chemicy nazywają magicznymi. Jądro jest podwójnie magiczne, gdy zawiera magiczną liczbę protonów oraz magiczną liczbę neutronów.

Badaczy szczególnie interesowały sytuacje, gdy jądro atomowe jest prawie podwójnie magiczne: jedna powłoka jest całkowicie zapełniona, a na kolejnej znajduje się tylko jeden samotny proton lub neutron. Pytanie brzmiało: pod wpływem jakich oddziaływań będzie się poruszała ta samotna cząstka.

W dotychczasowym modelu - aby nie rozmijał się z danymi z eksperymentów - od kilkudziesięciu lat uwzględniano dodatkowe efekty: drgania i ruchy protonów i neutronów zachodzące wskutek efektów kwantowych. W szczególnych przypadkach wibracje te mogły nawet zmienić wygląd jądra: nieco je spłaszczyć lub nadać mu kształt gruszkowaty. Takie modyfikacje musiałyby wpływać także na pole, w jakim porusza się "samotnik" - pojedynczy proton czy neutron w najbardziej zewnętrznej powłoce jądra atomowego.

Naukowcy wykorzystali dane eksperymentalne dostępne dla m.in. podwójnie magicznych jąder tlenu 16O, wapnia 40Ca i 48Ca, niklu 56Ni, cyny 132Sn oraz ołowiu 208Pb, a także dla jąder prawie podwójnie magicznych, takich jak 207Pb i 209Pb. Analiza teoretyczna nie pozostawiła wątpliwości: efekty kwantowe i związane z nimi wibracje okazały się mieć znacznie mniejszy wpływ na ruch pojedynczej cząstki w powłoce jądra niż dotychczas oczekiwano.

"Wykazaliśmy, że jeden z dwóch głównych czynników fizycznych, dotychczas uwzględniany w modelu pewnych dużych jąder atomowych, w rzeczywistości nie jest specjalnie istotny. W praktyce oznacza to, że fizyka w takich jądrach działa jednak nieco inaczej niż dotychczas wszyscy sądziliśmy" - komentuje prof. Jacek Dobaczewski z Instytutu Fizyki Teoretycznej FUW. Zaznacza, że rezultat, który osiągnięto jest "bardzo, bardzo ciekawy". "Skoro bowiem efekty kwantowe w tak dużym jądrze atomowym jak np. ołów 209Pb nie są specjalnie istotne, oznacza to, że sam współczesny model pola uśrednionego nie w pełni odpowiada rzeczywistości. Czegoś w nim nie uwzględniamy. Ciekawe, czego?" - zastanawia się prof. Dobaczewski.

Prace nad stworzeniem dokładnego i jednorodnego opisu zjawisk zachodzących w lekkich, ciężkich i superciężkich jądrach atomowych mają szczególne znaczenie praktyczne. Wiedza o fizyce jądra atomowego jest wykorzystywana w energetyce przy budowie elektrowni jądrowych oraz w pracach nad elektrowniami termojądrowymi przyszłości, w wojskowości, a także w medycynie nuklearnej przy obrazowaniu tkanek, diagnozowaniu chorób i w terapiach antynowotworowych.

Co więcej, procesy i oddziaływania jądrowe są podstawowym elementem opisu gwiazd we Wszechświecie. Metody teoretyczne rozwijane do opisu oddziaływań wielu cząstek w jądrze atomowym znajdują także liczne zastosowania w fizyce atomowej i materii skondensowanej oraz w chemii kwantowej - w analizie widmowej stanów wzbudzonych jąder atomowych, atomów i cząsteczek.

Opisywane badania sfinansowano ze środków europejskiego projektu ENSAR, polskiego Narodowego Centrum Nauki, fińskiego programu akademickiego FIDIPRO i Bułgarskiego Funduszu Naukowego.

PAP - Nauka w Polsce. Źródło: www.naukawpolsce.pap.pl