Badania nad fermem wskazują, że efekty powłoki jądrowej zmniejszają się wraz ze wzrostem masy jądrowej, podkreślając makroskopowe wpływy w pierwiastkach superciężkich.
Gdzie kończy się układ okresowy pierwiastków chemicznych i jakie procesy prowadzą do powstania pierwiastków ciężkich? Aby odpowiedzieć na te pytania, międzynarodowy zespół badawczy przeprowadził eksperymenty w ośrodku akceleratora GSI/FAIR oraz na Uniwersytecie Jana Gutenberga w Moguncji.
Ich badania opublikowano w czasopiśmie Naturadostarcza nowego wglądu w strukturę jąder atomowych fermu (pierwiastka 100) o różnej liczbie neutronów. Korzystając z najnowocześniejszych technik spektroskopii laserowej, zespół prześledził ewolucję promienia ładunku jądrowego i stwierdził stały wzrost w miarę dodawania neutronów do jąder. Wskazuje to, że zlokalizowane efekty powłoki jądrowej mają zmniejszony wpływ na promień ładunku jądrowego w tych ciężkich jądrach.
Efekty kwantowe w pierwiastkach superciężkich
Pierwiastki inne niż uran (pierwiastek 92), takie jak ferm (pierwiastek 100), nie występują naturalnie w skorupie ziemskiej. Aby można je było badać, należy je wytwarzać sztucznie. Łączą najcięższe pierwiastki występujące w naturze z tak zwanymi pierwiastkami superciężkimi, które zaczynają się od pierwiastka 104. Pierwiastki superciężkie zawdzięczają swoje istnienie stabilizującym efektom powłoki mechaniki kwantowej, które dodają około dwóch tysięcznych całkowitej energii wiązania jądrowego. Choć niewielki, wkład ten ma kluczowe znaczenie w przeciwdziałaniu siłom odpychania pomiędzy wieloma dodatnio naładowanymi protonami.
Efekty mechaniki kwantowej indukowane przez elementy składowe jąder atomowych, protony i neutrony, które razem tworzą jądro, wyjaśnia model powłoki jądrowej. Podobnie jak atomy, gdzie wypełnione powłoki elektronowe prowadzą do stabilności chemicznej i obojętności, jądra z wypełnionymi powłokami jądrowymi (zawierające tzw. „magiczną” liczbę protonów/neutronów) wykazują zwiększoną stabilność. W rezultacie wzrasta ich energia wiązania jądrowego i czas życia. Wiadomo, że w lżejszych jądrach wypełnione powłoki jądrowe również wpływają na trendy w promieniach ładunków jądrowych.
Zaawansowane techniki pomiarów jądrowych
Za pomocą metod spektroskopii laserowej można analizować subtelne zmiany w strukturze atomu, co z kolei dostarcza informacji o właściwościach jądrowych, takich jak promień ładunku jądrowego, czyli rozkład protonów w jądrze atomowym. Badania kilku jąder atomowych tego samego pierwiastka, ale o różnej liczbie neutronów, wykazały stały wzrost tego promienia, chyba że zostanie przekroczona magiczna liczba. Następnie obserwuje się załamanie, gdy nachylenie promieniowego wzrostu zmienia się przy zamknięciu skorupy. Efekt ten stwierdzono dla lżejszych, kulistych jąder atomowych aż do ołowiu.
Nowe spojrzenie na strukturę jądrową ciężkich jąder
„Korzystając z metody laserowej, badaliśmy jądra atomowe fermu, które posiadają 100 protonów i od 145 do 157 neutronów. W szczególności badaliśmy wpływ efektów powłoki mechaniki kwantowej na wielkość jąder atomowych. Pozwoliło to rzucić światło na strukturę tych jąder w zakresie wokół znanego efektu powłoki przy neutronie nr 152 z nowej perspektywy” – wyjaśnia dr Sebastian Raeder, rzecznik eksperymentu w GSI/FAIR.
„Przy tej liczbie neutronów w trendach energii wiązania jądrowego zaobserwowano już sygnaturę zamknięcia powłoki neutronowej. Siłę efektu powłoki zmierzono za pomocą bardzo precyzyjnych pomiarów masy w GSI/FAIR w 2012 r. Ponieważ według Einsteina masa jest równoważna energii, te pomiary masy dały wskazówki na temat dodatkowej energii wiązania zapewnianej przez efekt powłoki. Jądra atomowe wokół neutronu o liczbie 152 są idealnym stanowiskiem testowym do głębszych badań, ponieważ mają kształt bardziej przypominający piłkę do rugby niż kulisty. Dzięki tej deformacji wiele protonów w ich jądrach może być oddalonych od siebie bardziej niż w jądrze kulistym.
Do bieżących pomiarów w ramach międzynarodowej współpracy 27 instytutów z siedmiu krajów zbadano izotopy fermu o czasie życia od kilku sekund do stu dni, stosując różne metody wytwarzania izotopów fermu i rozwój metodologiczny stosowanych technik spektroskopii laserowej. Krótko żyjące izotopy wytworzono w akceleratorze GSI/FAIR, a w niektórych przypadkach do eksperymentów dostępnych było tylko kilka atomów na minutę. Aby je zbadać, wykorzystano specjalnie opracowaną przez badaczy kilka lat temu metodę spektroskopii laserowej do pomiarów izotopów nobla. Wytworzone jądra zatrzymano w gazowym argonie i wychwyciły elektrony, tworząc neutralne atomy, które następnie badano światłem lasera.
Bogate w neutrony, długożyciowe izotopy fermu (ferm-255, ferm-257) wyprodukowano w ilościach pikogramowych w Oak Ridge National Laboratory w Oak Ridge w USA oraz w Institut Laue-Langevinat Grenoble we Francji. Radiochemiczne przygotowanie próbek przeprowadzono na Uniwersytecie Jana Gutenberga w Moguncji (JGU). Inną metodą odparowano je następnie w zbiorniku i zbadano w próżni za pomocą światła laserowego.
Światło lasera o odpowiedniej długości fali unosi elektron w fermie atom na wyżej położony orbital, a następnie całkowicie usuwa go z atomu, tworząc jon fermu, który można skutecznie wykryć. Dokładna energia wymagana do tego etapowego procesu tworzenia jonów różni się w zależności od liczby neutronów. Tę niewielką zmianę energii wzbudzenia zmierzono w celu uzyskania informacji o zmianie wielkości jąder atomowych.
Dominują właściwości makroskopowe
Badania dostarczyły wglądu w zmiany promienia ładunku jądrowego w izotopach fermu w poprzek liczby neutronów 152 i wykazały stały, równomierny wzrost. Porównanie danych eksperymentalnych z różnymi obliczeniami wykonanymi przez partnerów międzynarodowej współpracy przy użyciu nowoczesnych teoretycznych modeli fizyki jądrowej umożliwia interpretację leżących u podstaw efektów fizycznych. Pomimo różnych metod obliczeniowych, wszystkie modele okazały się dobrze zgodne zarówno między sobą, jak i z danymi eksperymentalnymi.
„Nasze wyniki eksperymentów i ich interpretacja za pomocą nowoczesnych metod teoretycznych pokazują, że w jądrach fermu efekty powłoki jądrowej mają zmniejszony wpływ na promienie ładunków jądrowych, w przeciwieństwie do silnego wpływu na energie wiązania tych jąder” – mówi dr Jessica Warbinek, w momencie przeprowadzania eksperymentów doktorant w GSI/FAIR i JGU oraz pierwszy autor publikacji. „Wyniki potwierdzają teoretyczne przewidywania, że lokalne efekty powłoki, spowodowane niewielką liczbą pojedynczych neutronów i protonów, tracą wpływ wraz ze wzrostem masy jądrowej. Zamiast tego dominują efekty, które należy przypisać pełnemu zespołowi wszystkich nukleonów, przy czym jądra postrzegane są raczej jako naładowana kropla cieczy”.
Eksperymentalne udoskonalenia metody torują drogę do dalszych badań spektroskopii laserowej ciężkich pierwiastków w obszarze wokół i poza liczbą neutronów 152 i stanowią krok w kierunku lepszego zrozumienia procesów stabilizacji pierwiastków ciężkich i superciężkich. Ciągły rozwój daje nadzieję, że przyszłe badania będą w stanie ujawnić również słabe skutki struktury powłoki jądrowej, które jednak leżą u podstaw istnienia najcięższych znanych pierwiastków.
Odniesienie: „Gładkie trendy w promieniach ładunków fermu i wpływ efektów powłoki” Jessica Warbinek, Elisabeth Rickert, Sebastian Raeder, Thomas Albrecht-Schönzart, Brankica Andelic, Julian Auler, Benjamin Bally, Michael Bender, Sebastian Berndt, Michael Block, Alexandre Brizard, Pierre Chauveau, Bradley Cheal, Premaditya Chhetri, Arno Claessens, Antoine de Roubin, Charlie Devlin, Holger Dorrer, Christoph E. Düllmann, Julie Ezold, Rafael Ferrer, Vadim Gadelshin, Alyssa Gaiser, Francesca Giacoppo, Stephane Goriely, Manuel J. Gutiérrez, Ashley Harvey, Raphael Hasse, Reinhard Heinke, Fritz-Peter Heßberger, Stephane Hilaire, Magdalena Kaja, Oliver Kaleja, Tom Kieck, EunKang Kim, Nina Kneip, Ulli Köster, Sandro Kraemer, Mustapha Laatiaoui, Jeremy Lantis, Nathalie Lecesne, Andrea Tzeitel Loria Basto, Andrew Kishor Mistry, Christoph Mokry, Iain Moore, Tobias Murböck, Danny Münzberg, Witold Nazarewicz , Thorben Niemeyer, Steven Nothhelfer, Sophie Péru, Andrea Raggio, Paul-Gerhard Reinhard, Dennis Renisch, Emmanuel Rey-Herme, Jekabs Romans, Elisa Romero Romero, Jörg Runke, Wouter Ryssens, Hervé Savajols, Fabian Schneider, Joseph Sperling, Matou Stemmler, Dominik Studer, Petra Thörle-Pospiech, Norbert Trautmann, Mitzi Urquiza-González, Kenneth van Beek, Shelley Van Cleve, Piet Van Duppen, Marine Vandebrouck, Elise Verstraelen, Thomas Walther, Felix Weber i Klaus Wendt, 30 października 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-08062-z
