Los científicos generalmente imaginan que los núcleos atómicos son cúmulos más o menos esféricos de protones y neutrones, pero siempre relativamente caótico. Experimentos en el Laboratorio Nacional de Argonne, inspirado en físicos del Instituto de Física Nuclear de la Academia Polaca de Ciencias en Cracovia, están tratando de verificar este modelo simple. Para desplegar una analogía astronómica, en la medida en que la mayoría de los núcleos son similares en contorno a objetos rocosos como lunas o asteroides, luego, los núcleos de plomo-208, bajo ciertas condiciones, se asemejan a planetas rodeados por una atmósfera densa que puede moverse alrededor de un núcleo rígido.

Durante una docena de años, Físicos de EE. UU. y Polonia han estado investigando las propiedades de los núcleos de los átomos de plomo 208. Un análisis publicado recientemente que resume los experimentos llevados a cabo en ANL utilizando el acelerador superconductor ATLAS y el detector de rayos gamma Gammasphere ha arrojado conclusiones interesantes. Resulta que bajo ciertas condiciones, nuevo, En los núcleos de plomo-208 se producen estados de energía relativamente estables no predichos por la teoría. Y lo que es más, hay indicios que sugieren que tales núcleos exhiben una estructura de carácter colectivo no reconocida previamente.

"Los núcleos atómicos pueden excitarse a una variedad de estados de energía, incluidos aquellos en los que giran rápidamente. Sin embargo, no todos los núcleos en tales estados deben realmente girar, "dice el Prof. Rafal Broda (IFJ PAN), el primer autor del artículo publicado en Revisión física C . "El núcleo de plomo-208 consta de 82 protones y 126 neutrones y, con muy buena aproximación, puede considerarse esférico. Cuando usamos ecuaciones de mecánica cuántica para describir núcleos de esta forma, discutir el giro del núcleo no tiene sentido:las posiciones en las diferentes fases del giro son indistinguibles, por lo que no hay cambios en la energía. Por lo tanto, se supone que los núcleos esféricos no giran, y el tamaño físico relacionado con el espín, el espín del núcleo, se deriva completamente de varios nucleones acoplados que se mueven alrededor de sus órbitas. Mientras tanto, Nuestra investigación muestra que en los núcleos de plomo-208, se observa una amplia gama de valores de giro, hasta estados de alto giro, una secuencia de estados que puede interpretarse como relacionada con el giro colectivo. Los $ 64, 000 preguntas, luego, es '¿Qué es lo que está girando en tal núcleo?' "

En la física moderna, la estructura de los átomos completos se describe mediante un modelo de capa. Esto supone que los electrones, llevando una carga eléctrica negativa, moverse a distancias considerables alrededor de una carga positiva, núcleo prácticamente punteado. Sin embargo, la probabilidad de encontrar un electrón solo es alta en ciertas áreas, donde la energía del electrón asume valores estrictamente definidos. Por tanto, el núcleo del átomo está rodeado por una estructura espacial formada por un número menor o mayor de capas energéticas. Cada caparazón tiene una cierta capacidad máxima, y si el número de electrones excede esta capacidad, el exceso de electrones debe pasar a la siguiente capa, más lejos del núcleo.

Cuando la capa de electrones más externa se llena de electrones, el átomo es reacio a reaccionar con otros átomos o moléculas. En Quimica, estos elementos se denominan gases nobles debido a su particular estabilidad y falta de actividad química.

Los núcleos atómicos son objetos mucho más complejos que los átomos tratados como una carga positiva puntuada rodeada por un grupo de electrones distantes. Nucleones, o los protones y neutrones que forman el núcleo, tienen masas que son miles de veces mayores que el electrón, y adicionalmente, todas las partículas están muy juntas y entran en numerosas interacciones nucleares y electromagnéticas. Por lo tanto, Fue una gran sorpresa para los físicos descubrir que el modelo de caparazón también funciona para núcleos atómicos. Sin embargo, la situación aquí es más interesante, porque los neutrones y protones forman sus propias capas en los núcleos, que son particularmente estables para números de nucleones que se conocen como números mágicos. Los físicos llaman doblemente mágicos a los núcleos con capas de protones y neutrones completamente llenas. El plomo 208 es único en este grupo porque es el núcleo doblemente mágico más masivo.

Las propiedades de los núcleos de plomo-208 en estados de espín bajo son bastante conocidas, pero en lo que respecta a los estados de alto giro, este no fue el caso hasta hace poco. Los núcleos atómicos en tales estados son producidos por el proceso de fusión que tiene lugar en colisiones que ocurren cuando un objetivo hecho de un material adecuadamente seleccionado es bombardeado con partículas emparejadas. Desafortunadamente, no existe una combinación de partículas-objetivo capaz de producir núcleos de plomo-208 en estados de alto espín. Es por eso que durante tres décadas, el grupo de Cracovia encabezado por el profesor Broda ha estado trabajando en el uso de colisiones inelásticas profundas para estudiar núcleos inaccesibles en procesos de fusión. En colisiones de este tipo, los núcleos de bombardeo interactúan con los núcleos objetivo, pero no te fusiones con ellos.

"En un estado de alto giro, el efecto de una colisión inelástica profunda, el núcleo se excita y está tratando de volver al estado de energía más bajo. Se deshace de su exceso en varias o unas pocas docenas de etapas, cada uno emite radiación gamma con una energía característica para su transición. Analizando las energías de esta radiación, podemos obtener mucha información sobre la estructura de los núcleos atómicos y los procesos que tienen lugar dentro de ellos, "explica el Dr. Lukasz Iskra (IFJ PAN).

El último análisis utiliza mediciones tomadas en ANL junto con el grupo del Prof. Robert Janssens. En estos experimentos, objetivos de plomo 208 o uranio 238 fueron bombardeados con iones de plomo 208, selenio-82, germanio-76, níquel-64 o calcio-48. La radiación gamma fue registrada por un detector Gammasphere, compuesto por 108 detectores de germanio de alta calidad (este espectacular instrumento se puede ver, entre otros, en la película Hulk ).

Para sorpresa de los investigadores, el último análisis resultó en la detección de estructuras y fenómenos en núcleos de plomo-208 que no fueron anticipados por la teoría actual. Se observaron muchos estados de energía nuevos, y se encontró que tres eran estados isoméricos, y por lo tanto mucho más estable que otros. En estados normales, el núcleo ocurre durante picosegundos, mientras que en uno de los estados isoméricos, el núcleo se detectó durante hasta 60 nanosegundos (mil millonésimas de segundo), es decir, mil veces más.

De mayor interés fueron los resultados que sugieren un giro colectivo en un núcleo esférico, y por lo tanto no debe girar, según la mecánica cuántica. Los investigadores asumen que en giros altos, se forma un núcleo rígido en el núcleo de plomo-208; la siguiente masa elemental más alta es el núcleo doblemente mágico, es decir, estaño-132. Parece que este núcleo no gira, pero la capa exterior formada por los otros 76 nucleones gira.

"Comenzando con ciertos estados de alto giro, el núcleo de plomo-208 deja de ser un objeto homogéneamente rígido, tal como, por ejemplo, la luna geológicamente casi muerta. Una mejor analogía astronómica sería un cuerpo rocoso con una atmósfera muy densa, pero no tan tranquilo como Venus o Titán. Esta atmósfera debería moverse rápidamente sobre la superficie, por lo que podría ser como un huracán global, ", dice el profesor Broda. Este nuevo modelo permitirá a los teóricos incorporar más fenómenos y aumentar la precisión de sus predicciones.