Organizare experimentului pentru obținerea oxigenului-28. Credit imagine: Nature
Studiul nucleelor cu un număr mult mai mare de neutroni față de cel al protonilor ne ajută să înțelegem mai bine interacțiunea nucleară tare, cea care ține împreună protonii și neutronii în nucleele atomilor. O prima măsurătoare efectuată în Japonia a izotopilor atomului de oxigen, oxigen-27 și oxigen-28, este, din acest punct de vedere, foarte importantă.
Interacțiunea nucleară tare
Atomii sunt alcătuiți dintr-un nucleu în jurul căruia se află electronii. Nucleul, la rândul lui, este compus din neutroni și protoni. Aceștia sunt legați între ei în nucleu de așa-numita interacțiune nucleară tare. Încă nu cunoaștem în detaliu această interacțiune, ce are de fapt la baza ei quarcurile care formează protonii și neutronii și cromodinamica cuantică, care este teoria ce descrie modul în care quarcurile interacționează între ele prin intermediul gluonilor.
Studiul interacțiunii nucleare tari se face atât teoretic, cât și experimental. Rezultatele experimentale sunt ulterior comparate cu ceea ce prevede teoria, în acest mod reușim să înțelegem mai bine caracteristicile interacțiunii nucleare tari.
→ Citește și:
-- Cum sunt distribuiți electronii într-un atom
-- Câte quarcuri sunt într-un atom
Izotopii elementelor chimice
Un element chimic este caracterizat de un număr de protoni (care dă identitatea tipului de atom), egal cu cel al electronilor. De exemplu, atomul de carbon are 6 protoni și 6 electroni. Fierul are 26 de protoni (și electroni). Cel mai ușor element chimic, hidrogenul, are doar un proton și un electron.
În nucleul unui element chimic numărul de neutroni poate varia; în acest caz vorbim despre izotopii unui element chimic, adică atomi cu același număr de protoni și electroni, însă cu un număr de neutroni diferit.
De obicei numărul de neutroni în nucleu este mai mare decât numărul de protoni, diferența crește pe măsură ce elementul chimic este mai greu. De exemplu izotopul plumb-208 are 82 de protoni și 126 de neutroni în nucleu. În multe experimente de fizică nucleară se studiază izotopi la limita stabilității; adică se generează la acceleratoare izotopi cu un număr de neutroni mult mai mare decât cel al izotopilor stabili.
Comportamentul și caracteristicile izotopului instabil ne dau informații despre interacțiunea nucleară tare. Este exact ceea a studiat un grup de cercetători în Japonia, la acceleratorul RIKEN.
Izotopi grei ai oxigenului: oxigenul-27 și oxigenul-28
Oxigenul este extrem de important pentru noi, fiind prezent în atmosfera terestră, în apă și în multe alte molecule. Oxigenul stabil are 8 protoni și 8 neutroni în nucleu (există și un procent extrem de mic de izotopi ai oxigenului cu 9 sau 10 neutroni în nucleu).
Modul în care protonii și neutronii sunt organizați în nuclee este studiat în experimente care generează izotopi care nu sunt stabili. Interacțiunea nucleară tare, cea care ține împreună neutronii și protonii, nu este încă cunoscută extrem de bine.
În acest context cercetătorii de la RIKEN (Japonia) au reușit să genereze și să studieze doi izotopi extremi ai oxigenului. Pentru prima dată cu fascicule de ioni radioactivi, 29F, au generat izotopii oxigen-27 și oxigen-28; adică izotopi cu 19 și 20 de neutroni, deci mult mai mare decât numărul protonilor (8).
Aceste nuclee nu sunt stabile și se dezintegrează practic imediat după formare, emițând 3 sau 4 neutroni, generând oxigenul-24.
Caracteristicile oxigenului-27 și 28 au fost determinate din măsurarea neutronilor emiși și rezultatele au fost comparate cu ceea ce prevede teoria, fiind publicate într-un articol recent în revista Nature.
Utilitatea
Ca urmare a experimentului, cercetătorii au reușit să înțeleagă mai bine aspecte ale interacțiunii nucleare tari, descrisă cu două teorii diferite: modelul straturilor energetice al nucleului și o teorie care pleacă de la cromodinamica cuantică (teoria efectivă a câmpului; eng. effective field theory).
Notă: o teorie „efectivă” este una care își propune să descrie un anumit set de observații, dar în mod explicit fără pretenția sau implicația că mecanismul folosit de teorie are un corespondent direct în cauzele reale ale fenomenelor observate la care se potrivește teoria. Aceasta înseamnă că teoria propune modelarea unui anumit efect, fără a propune modelarea adecvată a vreuneia dintre cauzele care contribuie la efect.
Experimente de acest gen ne ajută să înțelegem interacțiunile fundamentale, precum cea nucleară tare, și, în acest fel, modul în care funcționează universul.
Mai mult pe acest subiect, în revista Nature.
