FluorescenţăÎn septembrie 2012 a fost atins un stadiu important în cadrul unui proiect de cercetare de la complexul de acceleratoare de particule TRIUMF. În cadrul proiectului FrPNC (Francium Parity Non-conservation) s-a reuşit izolarea câtorva tipuri de franciu.

 

 

 

 

S-a reuşit inclusiv izolarea izotopului Fr-207, care nu a mai fost izolat niciodată până acum. Există mai puţin de un gram de franciu în orice moment pe întreaga planetă. Cu un timp de înjumătăţire de doar câteva secunde şi existând doar pentru scurt timp în acceleratoarele de particule, franciul este cea mai rară specie din tabelul periodic al elementelor, până la uraniu.

 

Accelerator Triumph



Luis Orozco a ajutat la dezvoltarea studiului detaliat al franciului în anii '90. Membru al JQI şi profesor la Universitatea Maryland, Orozco a jucat un rol important în proiectarea actualului proiect ştiinţific şi conduce contingentul JQI care îşi desfăşoară activitatea în Vancouver.

Aşadar, ce are franciul de oferit care să merite dificultăţile în a avea de a face cu o astfel de substanţă atât de efemeră? Se pare că franciul, elementul 87 şi cel mai masiv dintre toate alcalinele, este cel mai bun tip de atom pentru studierea ruperii parităţii, o proprietate fundamentală a naturii şi pentru studierea forţei nucleare slabe responsabile pentru această rupere.

 

Transmutaţia

Deoarece franciul se înjumătăţeşte atât de rapid, el trebuie produs din nou în mod repetat, precum pâinea. În această privinţă TRIUMF este pe post de turnătorie, transmutând nu plumbul în aur, ci uraniul în franciu. Întâi un fascicul de protoni cu o energie de 500 de milioane de electroni-volţi (500 MeV) este izbit într-o ţintă făcută din uraniu şi carbon. Energia de impact eliberează câteva particule constituente din atomii de uraniu, transformându-le pe unele în zeci de alte specii atomice, inclusiv câţiva izotopi de franciu precum Fr-207, Fr-209 şi Fr-221 (numerele dau numărul total de protoni şi neutroni din nucleul atomic), care pot fi înmagazinaţi şi selectaţi folosind câmpuri magnetice.

fluorescenţă
O fluorescenţă într-o bulă de sute de mii de atomi de Fr în timp ce sunt izolaţi


Mai departe procesul de recoltare şi studiere a franciului este, de fapt, un complex proces de răcire. La TRIUMF aproximativ 100 de milioane de atomi de Fr sunt creaţi pe secundă. Ei sunt compactaţi într-un fascicul cu o energie de aproximativ 30 keV. Aceşti atomi încărcaţi electric (ioni) intră într-o cameră de neutralizare unde lovesc o mostră minusculă din elementul ytriu. Aici ionii de Fr devin atomi neutri, iar apoi ajung la suprafaţa mostrei Y, unde apar ca gaz la temperatura de 700 de grade C.



Diagramă Faynman

Această temperatură, echivalentă cu o energia unei fracţiuni (aproximativ o zecime de eV), este totuşi prea ridicată pentru ca atomii de Fr să poată fi studiaţi. Un set de lasere răcesc atomii şi mai mult prin bombardare uşoară, încetinindu-le mişcarea în timp ce sunt ţinuţi pe loc de o serie de câmpuri magnetice. Întregul aparat este, prin urmare, numit o capcană magneto-optică (CMO). Prima imagine arată fluorescenţa unei bule de sute de mii de atomi de Fr în timp ce sunt prinşi în capcană.

Violarea parităţii

Răciţi la o temperatură de doar 10 mili-Kelvin, atomii de Fr pot servi pe post de laborator pentru studierea forţei nucleare slabe. Cele patru forţe fizice cunoscute pot fi reprezentate ca fiind transmise din loc în loc de particule speciale: (1) forţa electromagnetică este transmisă de fotoni (manifestarea luminii ca particulă), forţa nucleară tare este transmisă de gluoni; forţa nucleară slabă este transmisă de o flotă de trei particule masive numite W+, W- şi Z0, iar gravitaţia este transmisă de gravitoni, care nu au fost încă detectaţi.

Pe lângă magnitudinile lor foarte diferite, aceste forţe diferă şi prin alte efecte. Paritatea – afirmaţia conform căreia natura nu poate deosebi stânga de dreapta – este respectată de forţa tare şi de forţele electromagnetice, însă nu şi de forţa slabă.

Forţa slabă, deşi nu mai slabă decât gravitaţia, este cel mai puţin palpabilă dintre forţe în experienţele noastre obişnuite. Ea acţionează doar în nucleele din atomi şi este, prin urmare, greu de testat. În consecinţă fizicienii profită de orice şansă pentru a studia această forţă inaccesibilă. Timp de mulţi ani violarea parităţii a fost observată doar în descompunerea unor anumite nuclee. Însă este de dorit şi studierea non-conservării parităţii în atomi. Mulţi cred că datorită naturii specifice a franciului, acesta este cel mai bun element în care se poate studia astfel de efecte ale parităţii.

Diagramele Feynman sunt un mod util de a descrie aceste forţe în acţiune. În a doua figură un electron din interiorul unui atom este reprezentat interacţionând cu nucleul (sau cu o singură parte a nucleului, precum un proton sau un neutron) notat cu N, Litera grecească gama reprezintă un foton. Dar în măsura în care forţa electromagnetică şi forţa slabă sunt considerate ca fiind două aspecte ale unei forţe „electroslabe” combinate, electronul poate interacţiona cu nucleul, cel puţin parţial, prin intermediul forţei electromagnetice (care respectă conservarea parităţii) şi parţial prin intermediul forţei slabe (care nu respectă conservarea parităţii). Un alt mod de a spune asta e că un electron poate interacţiona cu quarcurile constituente (litera q) dintr-un proton prin intermediul schimbului unei particule Z, aşa cum este reprezentat în figură.

Studierea aceste interacţiuni fundamentale este ceea ce experimentul FrPNC realizează la TRIUMF. De fapt realizează la energii foarte scăzute (nano electroni-volţi) ceea ce se întâmplă în mod obişnuit la energii foarte mari (miliarde de electroni-volţi), o ramură a ştiinţei numită fizica energiilor înalte.

 

Traducere după world-rarest-element de Răzvan Gavrilă, cu acordul editorului

Write comments...
symbols left.
You are a guest ( Sign Up ? )
or post as a guest
Loading comment... The comment will be refreshed after 00:00.

Be the first to comment.