Imagine atom. În centrul imaginii puteți vedea un atom de stronțiu, iluminat de laser bleu-violet.
Credit: David Nadlinger - University of Oxford
Nucleele cu mai mulți neutroni decât protoni au o pătură de neutroni în exterior – cât de subțire este aceasta? Un experiment efectuat la Thomas Jefferson National Accelerator Facility măsoară acest înveliș pentru nucleele de Pb-208. Este extrem de subțire! Studiul are implicații inclusiv în fizica stelelor neutronice.
Atomii
Din ce este compusă materia? Toți știm răspunsul la această întrebare: elemente chimice – atomi. Aceștia formează molecule simple sau complexe. Atomii, elementele chimice, sunt compuși din nucleu și electroni.
Reprezentarea unui atom, cu nucleul în centru, iar electronii distribuiți în jurul acestuia
La rândul lui, nucleul unui atom conține protoni și neutroni. Ei bine, numărul de protoni, care este egal cu numărul de electroni, ne spune despre ce element chimic este vorba.
Dacă hidrogenul conține doar un proton în nucleu, elemente chimice precum plumbul au mult mai mulți: 82 de protoni în acest caz.
Protonii și neutronii sunt ținuți împreună în nuclee prin așa-numită forță nucleară tare. În fapt, forța nucleară tare se manifestă la nivelul quarcurilor, particulele elementare din care sunt compuși protonii și neutronii – și este cea mai intensă forță din natură. Electronii sunt ținuți în atomi de interacțiunea electromagnetică. Vedem deci că un atom are o structură deosebit de complexă, pe care încă o studiem.
→ Pe acest subiect, al modului în care electronii se mențin în atomi, citiți: Electronii sunt atraşi de protoni. De ce nu cad electronii în nucleul atomului?
Nucleele magice și plumbul-208
La oră actuală încă nu avem o teorie perfectă despre interacțiunea nucleară tare, cea care ține împreună protonii și neutronii în nuclee. Avem mai multe modele matematice care descriu această interacțiune, însă știm că niciunul nu este perfect. Din acest motiv studiul nucleelor atomice, atât din punct de vedere teoretic, cât și experimental este extrem de important.
Din punct de vedere teoretic modelele descriu protonii și neutronii din nuclee ca ocupând diverse nivele de energie, în mod asemănător cu electronii care ocupă nivele de energie atomice. Fiind vorba de interacțiunea nucleară tare, energiile acestor nivele în nuclee sunt mult mai mari decât cele atomice.
credit: webelements.com
Există o serie de nuclee pentru care neutronii și protonii au numere magice, adică ocupă complet aceste nivele de energie. Nucleul de plumb-208 este un nucleu dublu-magic, întrucât atât numărul de protoni, 82, cât și cel de neutroni, 126, sunt numere magice. Din acest motiv nucleul de Pb-208 este foarte stabil, acest lucru făcându-l unul dintre nucleele cele mai studiate.
PREX măsoară grosimea păturii de neutroni
Unul dintre obiectivele experimentelor efectuate asupra nucleelor de Pb-208 este acela de a măsura grosime stratului de neutroni care învăluie partea centrală, care are o densitate mare. Cum numărul de neutroni este mult mai mare decât cel al protonilor în acest nucleu, o parte din neutroni sunt în partea superficială a nucleului. Studiul grosimii acestui strat oferă informații despre forța nucleară tare și, indirect, despre stelele de neutroni.
Proiectul de cercetare colaborativ PREX a efectuat un experiment la Thomas Jefferson National Accelerator Facility în Virginia, USA, în care a bombardat cu electroni o țintă de plumb-208, ținută între două diamante; din modul în care electronii se împrăștiau, cercetătorii au dedus modul în care protonii și neutroni erau poziționați în nuclee. S-a ajuns astfel la concluzia, publicată într-un articol în revista Phys. Rev. Lett., că stratul exterior de neutroni are o grosime de doar 0,28 femtometri (1 femtometru reprezintă 10-15 m!); puțin mai mult decât prevedea teoria.
Nucleele de plumb și stelele de neutroni
Studiul acestor nuclee cu mai mulți neutroni decât protoni ne oferă informații utile inclusiv pentru studiul stelelor neutronice, unde, se presupune, neutronii formează mare parte a stelei. Cum aceștia se leagă împreună neutronii în interiorul stelei neutronice și cât de densă este aceasta, încă nu știm cu precizie. De acești factori depinde atât dimensiunea stelei, cât și, la urmă urmei, conținutul stelei – s-ar putea că o stea de neutroni să conțină și altfel de particule – de exemplu particule cu quarcuri stranii.
