Un grup de cercetători de la National Superconducting Cyclotron Laboratory (NSCL) a reușit un nou record în producerea celui mai ușor izotop de magneziu, magneziu-18. Acest izotop este extrem de instabil și nu poate fi găsit în natură. Rezultatul cercetării reprezintă un progres în fizica nucleară și ajută la o mai bună înțelegere a modului în care interacționează protonii și neutronii.
Ciclotronul este un tip de accelerator de particule inventat la finalul celei de-a treia decade a sec. XX. Deoarece particulele se deplasează pe o traiectorie în formă de spirală, ciclotronul este un model de accelerator intermediar între acceleratorul linear și cel circular. Ciclotronul a fost cel mai puternic accelerator de particule până prin anii '50 ai secolului trecut, când a fost înlocuit de sincrotron.
Nucleele atomice
Atomii sunt structuri complexe, în care este prezentă atât interacțiunea electromagnetică, care ține electronii în orbite în jurul nucleelor, cât și cea nucleară tare, care ține împreună neutronii și protonii în nuclee.
Interacțiunea nucleară tare nu este încă înțeleasă extrem de bine, aceasta fiind foarte complexă, motiv pentru care se desfășoară multiple experimente în fizica nucleară care au obiectivul de a analiza această interacțiune în condiții deosebite. Printre aceste experimente se numără și cele care caracterizează izotopii aceluiași element chimic.
Ce sunt izotopii?
Un element chimic este caracterizat de numărul de protoni (egal cu numărul electronilor) din nucleu. De exemplu hidrogenul are doar un proton, oxigenul 8 protoni, iar fierul 26.
Același element chimic poate însă să conțină un număr variabil de neutroni, fiind în acest caz vorba despre izotopi.
Numărul neutronilor de obicei depășește numărul protonilor; cu cât este mai greu un nucleu, cu atât diferența între numărul neutronilor și a protonilor este mai mare.
Neutronii și protonii sunt legați în nuclee de interacțiunea nucleară tare. Această interacțiune nu este încă bine cunoscută, studii de fizică nucleară sunt încă necesare. Din acest motiv studiul izotopilor este extrem de interesant întrucât ne ajută să înțelegem interacțiunea dintre protoni și neutroni în diverse condiții.
Nucleul de magneziu
Nucleul de magneziu conține 12 protoni; cum spuneam, numărul neutronilor poate să varieze.
În natură, izotopul cel mai răspândit este magneziul cu 12 protoni și 12 neutroni în nucleu; mai există și izotopi, în cantitate mai mică, cu 13 sau 14 neutroni.
Există însă nuclee de magneziu cu mai puțini neutroni decât protoni? Aceștia pot fi generați la acceleratoarele de particule, care accelerează fascicule de ioni (adică atomi cărora le-au fost înlăturați electroni, toți sau doar parte).
În cadrul acestor experimente se pot genera și studia izotopi precum cel de magneziu cu mai puțini neutroni decât protoni. Recordul până la experimentul de care vorbim în acest articol era un nucleu de magneziu cu 12 protoni și 7 neutroni, adică magneziu-19.
Magneziu-18
Într-un articol publicat recent în Physical Review Letters cercetătorii afirmă că, pentru prima dată, au reușit să obțină la NSCL din SUA nuclee de magneziu cu doar 6 neutroni în interior, magneziu–18.
Nucleul de magneziu-18 este extrem de instabil; practic se dezintegrează în neon-16, prin emisia de doi protoni, după care, prin emisia de alți doi protoni, în nuclee de oxigen-14.
Tocmai prin analiza acestor nuclee rezultate din dezintegrare s-a reușit să se obțină informații despre magneziul-18. Acesta a fost produs prin accelerarea unui fascicul de nuclee de magneziu-24 (cu 12 neutroni) la jumătate din viteza luminii; aceste nuclee s-au ciocnit cu o țintă de beriliu, generând magneziu-20 (cu 8 neutroni). Nucleele de magneziu-20 s-au ciocnit cu o altă țintă de beriliu (la 30 metri distanță) generând magneziu-18, care, având un timp de viață extrem de scurt, se dezintegra în interiorul țintei.
La ce folosește?
Studiul acestor izotopi, care nu sunt stabili, ne ajută să înțelegem mai bine interacțiunea nucleară. Pe de altă parte, aceste studii sunt utile și în astrofizica nucleară, ce are obiectivul de a studia cum se nasc elementele chimice în stele, în urmă proceselor nucleare în inima stelelor sau în momentul morții acestora, precum în supernove. Aceste elemente chimice au dat naștere de exemplu planetei noastre și chiar și a noastră.
Credit imagine: S. M. Wang / Fudan University and Facility for Rare Isotope Beams
