Το μέγεθος ενός πυρήνα (ακτίνα πυρηνικού φορτίου) αποτελεί ένα σημαντικό φυσικό μέγεθος, το οποίο αντικατοπτρίζει τη διάταξη των πρωτονίων και των νετρονίων στο εσωτερικό του πυρήνα. Ειδικότερα στους παραμορφωμένους πυρήνες, όπως εκείνοι των στοιχείων των σπανίων γαιών, η μελέτη των μεταβολών στην ακτίνα φορτίου μπορεί να εμβαθύνει την κατανόησή μας για την πυρηνική δομή και την πυρηνική παραμόρφωση.
Η μέτρηση των πυρηνικών ακτίνων
Μέχρι σήμερα, για τη μέτρηση των πυρηνικών ακτίνων έχουν χρησιμοποιηθεί πειράματα σκέδασης ηλεκτρονίων, ατομική φασματοσκοπία μιονίων, καθώς και φασματοσκοπία λέιζερ σε ουδέτερα άτομα και μονοσθενώς ιονισμένα άτομα. Ωστόσο, η απευθείας σύγκριση μεταξύ διαφορετικών στοιχείων δεν ήταν εύκολη υπόθεση.
Στην περίπτωση του λουτητίου (Lu) και του υτερβίου (Yb), οι εκτιμήσεις που βασίζονταν σε παλαιότερα πειράματα ανέδειξαν μια ανώμαλη τάση, η οποία δεν παρατηρείται σε άλλα στοιχεία των σπανίων γαιών: ο πυρήνας του λουτητίου —το οποίο διαθέτει περιττό αριθμό πρωτονίων— είναι μεγαλύτερος από τον πυρήνα του γειτονικού στοιχείου, το οποίο έχει άρτιο αριθμό πρωτονίων. Το ζήτημα αυτό παρέμενε άλυτο επί σειρά ετών.
Μια διεθνής ερευνητική ομάδα, με τη συμμετοχή του Εθνικού Ινστιτούτου Επιστήμης Σύντηξης (NIFS), του Πανεπιστημίου Ηλεκτρο-Επικοινωνιών (University of Electro-Communications), του Πανεπιστημίου Clemson και του Πανεπιστημίου Grenoble-Alpes, παρουσίασε μια νέα μέθοδο προσδιορισμού της πυρηνικής ακτίνας μέσω ατομικής φασματοσκοπίας, χρησιμοποιώντας την πειραματική διάταξη Tokyo-EBIT στο Πανεπιστήμιο Ηλεκτρο-Επικοινωνιών.
Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Nature Communications.
Η έρευνα
Για τον προσδιορισμό των πυρηνικών ακτίνων, η διεθνής ερευνητική ομάδα εστίασε σε ένα φαινόμενο κατά το οποίο το μέγεθος του πυρήνα προκαλεί μετατόπιση στα ενεργειακά επίπεδα του ατόμου (μετατόπιση όγκου). Υπό κανονικές συνθήκες, αυτή η ενεργειακή μετατόπιση είναι εξαιρετικά μικρή, καθώς ο πυρήνας είναι απειροελάχιστος σε σύγκριση με τα δέσμια ηλεκτρόνια του ατόμου.
Ως εκ τούτου, η ομάδα χρησιμοποίησε υψηλά ιονισμένα άτομα (Highly Charged Ions - HCIs) ως φασματοσκοπικό στόχο, προκειμένου να ενισχύσει αυτή τη μετατόπιση και να προσδιορίσει με ακρίβεια την πυρηνική ακτίνα. Δεδομένου ότι στα HCIs τα δέσμια ηλεκτρόνια εντοπίζονται κοντά στον πυρήνα, η μετατόπιση όγκου αποτυπώνεται έντονα στα ενεργειακά επίπεδα.
Στο πλαίσιο του πειράματος, οι ερευνητές δημιούργησαν υψηλά ιονισμένα άτομα λουτητίου (Lu) και υτερβίου (Yb), αξιοποιώντας τη διάταξη Tokyo-EBIT στο Πανεπιστήμιο Ηλεκτρο-Επικοινωνιών. Μέτρησαν εναλλάξ φάσματα εκπομπής ακραίας υπεριώδους ακτινοβολίας υψηλής ανάλυσης και συνέκριναν τις ενέργειες των γραμμών εκπομπής των ιόντων Lu⁵⁹⁺, Lu⁶⁰⁺, Yb⁵⁸⁺ και Yb⁵⁹⁺.
Χρησιμοποιώντας τους πιο πρόσφατους υπολογισμούς ατομικής δομής υψηλής ακρίβειας, η ερευνητική ομάδα μετέτρεψε τις παρατηρούμενες διαφορές στις ενέργειες των γραμμών εκπομπής σε διαφορές στις ακτίνες των πυρήνων. Αυτό αποκάλυψε ότι ο πυρήνας του λουτητίου (ατομικός αριθμός 71) είναι ελαφρώς μικρότερος από τον πυρήνα του υτερβίου (ατομικός αριθμός 70).
Το αποτέλεσμα αυτό υποδηλώνει ότι η αναμενόμενη εναλλαγή τιμών (φαινόμενο odd-even staggering) —ανάλογα με το αν ο ατομικός αριθμός είναι περιττός ή άρτιος— στις πυρηνικές ακτίνες των στοιχείων των σπανίων γαιών, ισχύει και για το ζεύγος Yb-Lu. Συνεπώς, φαίνεται να επιλύεται το πολυσυζητημένο «πρόβλημα της αντιστροφής» (reversal problem) που αφορούσε την ακτίνα του πυρήνα του λουτητίου.
Σημασία των ερευνητικών ευρημάτων και μελλοντικές κατευθύνσεις
Οι ερευνητές απέδειξαν ότι οι ακτίνες των πυρήνων στα βαρέα στοιχεία μπορούν να προσδιοριστούν μέσω φασματοσκοπίας ακραίας υπεριώδους ακτινοβολίας σε ιόντα υψηλής φορτίου (HCIs). Συγκεκριμένα, η μέθοδος αυτή επιτρέπει «άμεσες συγκρίσεις μεταξύ διαφορετικών στοιχείων» —κάτι που ήταν δύσκολο να επιτευχθεί με συμβατικές τεχνικές, όπως η φασματοσκοπία λέιζερ σε ουδέτερα άτομα ή σε μονοσθενώς φορτισμένα ιόντα— και προσφέρει μια νέα προσέγγιση για τη μελέτη της πυρηνικής δομής στα βαρέα στοιχεία.
Επιπλέον, οι τιμές για τις πυρηνικές ακτίνες των στοιχείων των σπανίων γαιών που προέκυψαν από την παρούσα μελέτη όχι μόνο αμφισβητούν την εικόνα που είχε διαμορφωθεί βάσει συμβατικών πειραματικών δεδομένων, αλλά υποδεικνύουν επίσης την ύπαρξη σημαντικών επιδράσεων που εξαρτώνται από το αν ο ατομικός αριθμός είναι άρτιος ή περιττός (even-odd effects). Τα φαινόμενα αυτά δεν μπορούν να εξηγηθούν πλήρως από τις τρέχουσες θεωρίες πυρηνικής δομής, αναδεικνύοντας έτσι νέες προκλήσεις στη μελέτη των βαρέων, παραμορφωμένων πυρήνων.
Στο μέλλον, οι ερευνητές σχεδιάζουν να διευρύνουν το πεδίο της έρευνας πέρα από τα στοιχεία που εξετάστηκαν στην παρούσα εργασία —το λουτήτιο και το υτέρβιο— συμπεριλαμβάνοντας γειτονικά στοιχεία των σ Οι συστηματικές μετρήσεις με τη χρήση φασματοσκοπίας HCI αναμένεται να οδηγήσουν σε νέα συμπεράσματα σχετικά με την πυρηνική δομή.
Επιπλέον, η έρευνα αυτή εφαρμόζει τη φασματοσκοπία HCI —μια τεχνική που αναπτύχθηκε για την προαγωγή της κατανόησής μας στη σχετικιστική ατομική φυσική και την επιστήμη της πυρηνικής σύντηξης— στον τομέα της πυρηνικής έρευνας.
Μέσω της μελέτης αυτής, η ερευνητική ομάδα κατόρθωσε να βελτιώσει περαιτέρω συναφείς τεχνικές φασματοσκοπίας HCI, όπως η ανάλυση μήκους κύματος υψηλής ακρίβειας και οι μέθοδοι εισαγωγής στοιχείων σπανίων γαιών σε... η πειραματική διάταξη και οι υπολογισμοί ατομικής δομής υψηλής ακρίβειας.
www.worldenergynews.gr
