Fizicieni de la MIT au ajutat la crearea unui videoclip în care, pentru prima oară, mărimile, formele și structurile nucleelor atomice sunt vizualizate cu ajutorul unor animații. Mai jos, puteți vedea respectivele animații, însoțite de textul explicativ:
Omul s-au întrebat încă de acum mii de ani despre structura materiei și despre ce anume constituie lumea noastră. Filosoful grec Democrit a dezvoltat pentru prima dată conceptul de „atomos”, un bloc indivizibil din care se formează materia. El credea că atomii aveau multe forme, în funcție de tipul de materie pe care îl alcătuiau.
Peste două milenii mai târziu, aceste forme au fost unificate în sfere solide. În jurul anului 1900, a fost descoperit electronul, despre care s-a propus că există dispersat în interiorul sferei. Câțiva ani mai târziu a fost descoperit nucleul, iar modelul atomic a evoluat.
S-a ajuns la electroni care călătoresc pe orbite fixe în jurul nucleului. Principiul incertitudinii ne-au introdus în mecanica cuantică, iar electronii, având proprietăți de undă, au devenit un nor de probabilitate care înconjoară nucleul.
Dar ce se întâmplă în lumea nucleului, un punct minuscul cu sarcină pozitivă, de un trilion de ori mai mic decât atomul în sine?
Înainte de a aprofunda, să facem un pas înapoi. Mult înapoi. Diametrul Pământului este de 10.000 km. Dimensiunea campusului MIT este de un kilometru. Pentru a ajunge la scări mult mai mici, să adăugăm o piscină imaginară de apă deasupra domului MIT. Ajungem la un cub de apă la scară milimetrică. Încă trei ordine de mărime mai mici și ajungem la o scară de un micrometru.
La scara de un nanometru, începem să observăm mișcarea moleculelor de apă. Mărind de zece ori, ajungem la dimensiunea unui atom de hidrogen. Încă cinci ordine de mărime mai jos, ajungem la nucleul acestuia. Protonul. În interiorul acestui proton, lucrurile se mișcă cu viteze incredibile într-un volum infinit de mic. Suntem acum adânc în tărâmul cuantic.
Atomul de hidrogen are un nucleu format dintr-un singur proton. Dimensiunea unui nucleu este măsurată în unități de măsură numite „femtometri”. Un proton are o rază de aproape un femtometru, de 100.000 de ori mai mică decât dimensiunea atomului de hidrogen.
Protonul există într-o stare cuantică ce se schimbă în funcție de modul în care îl observi. La o viteză mare de expunere, vedem un ocean de gluoni. La o viteză medie, vedem un amestec de gluoni și perechi quarc-antiquarc, iar la o viteză redusă, vedem predominanța quarcurilor valență.
Nuclee mai complexe conțin nu doar protoni cu sarcină pozitivă, ci și neutroni fără sarcină. Deși protonul poate exista singur într-o formă stabilă, neutronii, singuri, sunt instabili și vor dezintegra rapid într-un proton, un electron și un antineutrin.
Cu toate acestea, neutronii rămân stabili atunci când sunt legați de un proton prin forța nucleară tare în nucleu.
Oxigenul-16 conține opt protoni și opt neutroni. Dacă privim mai în profunzime, apar constituenții fundamentali, quarcurile și gluonii. Dar, pentru scopurile noastre, aceștia rămân ascunși. Ne vom concentra asupra structurii nucleului în termeni de protoni și neutroni.
Oxigenul-16 are o rază de sarcină de 2,7 fm. Pentru a defini mai bine vitezele particulelor la distanțe atât de mici, stabilim unitatea de măsură „secundă-copil” („baby second”) ca 10-23 secunde. Un foton care se deplasează cu viteza luminii traversează trei femtometri, puțin mai mult decât raza nucleului de oxigen-16, într-o „baby second”.
Protonii și neutronii sunt distribuiți aleatoriu și conținuți într-o rază care limitează mișcările lor. Neutronii sunt distincți prin tonurile lor albastre (n.n. în animația de mai jos). Particulele individuale, protoni și neutroni, se atrag și se resping reciproc în funcție de proximitate, pentru a imita forța nucleară tare, iar un câmp de zgomot este introdus pentru a le agita aleatoriu. Protonii și neutronii din interior se mișcă, în medie, cu o treime din viteza luminii într-o „baby second”. Protonii și neutronii traversează un femtometru. Compară această mișcare cu cea a fotonului punctiform care se deplasează cu viteza luminii pe o riglă de femtometri.
Privind în interiorul protonilor și neutronilor, quarcurile și gluonii se mișcă cu viteza luminii. Ar dura aproximativ trei „baby seconds” ca un proton să traverseze un nucleu de heliu-4. Și aproximativ zece „baby seconds” pentru un nucleu mai mare, precum cupru-64. Atât nucleele de heliu-4, cât și cele de cupru-64 sunt predominant rotunde.
Formele unor nuclee și mai grele pot fi destul de deformate, cu o alungire de până la un factor de trei. Acest lucru este cauzat de vibrația și rotația nucleului, cu protoni și neutroni care se mișcă sincronizat. Perioada tipică a unei rotații nucleare este de aproximativ 100 de „baby seconds”. Perioada pentru vibrațiile nucleare este mai scurtă, aproximativ 20 de „baby seconds”, adică aproape același timp în care un proton efectuează o călătorie dus-întors într-un nucleu de masă medie.
Dimensiunea majorității nucleelor crește odată cu numărul de protoni și neutroni din interior, deși există excepții notabile. Litiul-11, cu trei protoni și opt neutroni, are o rază similară cu cea a plumbului-208, care are 82 de protoni și 126 de neutroni. Litiul-11 este numit un „nucleu halo” și poate fi vizualizat ca un nucleu central cu doi neutroni adiționali care orbitează la periferie.
Multe nuclee grele, cum ar fi plumbul-208, au un surplus de neutroni, care ar trebui să se afle la exterior și să formeze o „carcasă de neutroni”. Într-adevăr, raza ocupată de neutroni în plumb-208 este mai mare decât cea a protonilor. Cu toate acestea, în ciuda surplusului mare de 44 de neutroni, diferența este de doar 0,2 fm, datorită specificului forței proton-neutron.
Carbonul-12 și oxigenul-16 sunt esențiale pentru viață. Piatră de temelie a vieții este procesul chimic din plante, prin care lumina Soarelui transformă dioxidul de carbon și apa în hrană pentru plante, glucoză și oxigen.
Hidrogenul, oxigenul și carbonul reprezintă 93% din masa corpului uman. Carbonul-12 este format din șase protoni și șase neutroni care ocupă o sferă cu raza de 2,5 fm. Oxigenul-16 are doi protoni și doi neutroni în plus, fiecare ocupând o sferă cu raza de 2,7 fm.
Acești protoni și neutroni adiționali fac o diferență uriașă. Oxigenul este un gaz. Este cel mai abundent element din scoarța terestră și, după hidrogen și heliu, al treilea cel mai abundent element din univers. Oxigenul este continuu reînnoit în atmosfera terestră prin fotosinteză.
În ce privește carbonul, abundența, diversitatea unică de compuși organici și capacitatea neobișnuită de a forma polimeri la temperaturile obișnuite de pe Pământ îi permit să servească drept element comun al tuturor formelor de viață cunoscute.
Oxigenul, carbonul și elementele care alcătuiesc universul nostru sunt create din aceleași blocuri fundamentale cuantice. Prin simpla adăugare sau eliminare de protoni, neutroni și electroni, materia pe care o creează la nivel macro variază cu o diversitate incredibilă de proprietăți.
În ciuda dominanței acestor elemente, o mare varietate de nuclee este utilizată în diverse aplicații care aduc beneficii omenirii.
De exemplu, tritiul (hidrogenul-3) este folosit pentru alimentarea indicatoarelor cu indicația „Exit”.
Carbonul-14 este utilizat pentru datarea obiectelor vechi.
Fluorul-18 este folosit ca substanță de contrast pentru imagistica cerebrală și biologică.
Cobaltul-60 a fost utilizat pentru tratarea unor boli și prelungirea duratei de valabilitate a alimentelor.
Technețiul-99 este larg utilizat în imagistica medicală nucleară.
Samariul-153 este folosit pentru tratarea metastazelor osoase.
Americiul-241 este utilizat în detectoarele de fum.
Prin adăugarea sau eliminarea acestor blocuri fundamentale cuantice ale protonului și neutronului, poate exista o diversitate incredibilă de nuclee. Aceste elemente joacă un rol critic în viața umană, în corpurile noastre, în sănătatea și siguranța noastră, precum și în lumea din jurul nostru.
Textul articolului reprezintă traducere și adaptare după textul din videoclip.
