Gli scienziati generalmente immaginano che i nuclei atomici siano ammassi più o meno sferici di protoni e neutroni, ma sempre relativamente caotico. Esperimenti all'Argonne National Laboratory, ispirato dai fisici dell'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze di Cracovia, stanno cercando di verificare questo semplice modello. Per implementare un'analogia astronomica, in quanto la maggior parte dei nuclei è simile nel profilo ad oggetti rocciosi come lune o asteroidi, quindi i nuclei di piombo-208 in determinate condizioni assomigliano a pianeti circondati da una densa atmosfera che può muoversi attorno a un nucleo rigido.

Per una dozzina di anni, i fisici degli Stati Uniti e della Polonia hanno studiato le proprietà dei nuclei degli atomi di piombo-208. Un'analisi pubblicata di recente che riassume gli esperimenti condotti all'ANL utilizzando l'acceleratore superconduttore ATLAS e il rivelatore di raggi gamma Gammasphere ha prodotto interessanti conclusioni. Si scopre che in determinate condizioni, nuovo, stati energetici relativamente stabili non previsti dalla teoria sono prodotti nei nuclei di piombo-208. Cosa c'è di più, vi sono indicazioni che suggeriscono che tali nuclei esibiscono una struttura di natura collettiva precedentemente non riconosciuta.

"I nuclei atomici possono essere eccitati a una varietà di stati energetici, compresi quelli in cui girano rapidamente. Però, non tutti i nuclei in tali stati devono effettivamente ruotare, " afferma il Prof. Rafal Broda (IFJ PAN), il primo autore il documento pubblicato in Revisione fisica C . "Il nucleo di piombo-208 è costituito da 82 protoni e 126 neutroni e, con un'ottima approssimazione, può essere considerato sferico. Quando usiamo equazioni della meccanica quantistica per descrivere nuclei di questa forma, discutere della rotazione del nucleo diventa insensato:le posizioni nelle diverse fasi della rotazione sono indistinguibili, quindi non ci sono variazioni di energia. Perciò, si assume che i nuclei sferici non ruotino, e la dimensione fisica correlata allo spin, lo spin del nucleo, deriva interamente da diversi nucleoni accoppiati che si muovono attorno alle loro orbite. Nel frattempo, la nostra ricerca mostra che nei nuclei di piombo-208, si osserva un'ampia gamma di valori di spin, fino a stati ad alto spin, una sequenza di stati che possono essere interpretati come relativi allo spin collettivo. Il $ 64, 000 domanda, poi, è 'Cos'è che gira in un tale nucleo?'"

Nella fisica moderna, la struttura di interi atomi è descritta usando un modello a guscio. Ciò presuppone che gli elettroni, portando una carica elettrica negativa, muoversi a distanze considerevoli intorno a un carico positivamente, nucleo praticamente puntiforme. Però, la probabilità di trovare un elettrone è alta solo in certe aree, dove l'energia dell'elettrone assume valori strettamente definiti. Il nucleo dell'atomo è quindi circondato da una struttura spaziale formata da un numero minore o maggiore di gusci energetici. Ogni shell ha una certa capacità massima, e se il numero di elettroni supera questa capacità, gli elettroni in eccesso devono passare al guscio successivo, più lontano dal nucleo.

Quando il guscio elettronico più esterno si riempie di elettroni, l'atomo è riluttante a reagire con altri atomi o molecole. In chimica, tali elementi sono detti gas nobili per la loro particolare stabilità e mancanza di attività chimica.

I nuclei atomici sono oggetti molto più complessi degli atomi trattati come una carica positiva puntiforme circondata da un gruppo di elettroni distanti. nucleoni, o i protoni e i neutroni che compongono il nucleo, hanno masse migliaia di volte maggiori dell'elettrone, e inoltre, tutte le particelle sono vicine tra loro ed entrano in numerose interazioni nucleari ed elettromagnetiche. Perciò, è stata una grande sorpresa per i fisici scoprire che il modello a conchiglia funziona anche per i nuclei atomici. Però, la situazione qui è più interessante, perché i neutroni e i protoni formano i propri gusci nei nuclei, che sono particolarmente stabili per i numeri di nucleoni noti come numeri magici. I fisici chiamano doppiamente magici i nuclei con i gusci di protoni e neutroni completamente pieni. Il piombo-208 è unico in questo gruppo perché è il nucleo doppiamente magico più massiccio.

Le proprietà dei nuclei di piombo-208 negli stati a basso spin sono abbastanza note, ma per quanto riguarda gli stati ad alto spin, questo non era il caso fino a poco tempo fa. I nuclei atomici in tali stati sono prodotti dal processo di fusione che ha luogo in collisioni che si verificano quando un bersaglio costituito da un materiale opportunamente selezionato viene bombardato con particelle abbinate. Sfortunatamente, non esiste una combinazione particella-bersaglio in grado di produrre nuclei di piombo-208 in stati ad alto spin. Ecco perché per tre decenni, il gruppo di Cracovia guidato dal Prof. Broda ha lavorato sull'uso di collisioni anelastiche profonde per studiare nuclei inaccessibili nei processi di fusione. In collisioni di questo tipo, i nuclei bombardanti interagiscono con i nuclei bersaglio, ma non fonderti con loro.

"In uno stato di alto spin - l'effetto di una collisione anelastica profonda - il nucleo è eccitato e sta cercando di tornare allo stato di energia più bassa. Si libera del suo eccesso in diverse o poche dozzine di fasi, ognuno emette radiazioni gamma con una caratteristica energetica per la sua transizione. Analizzando le energie di questa radiazione, siamo in grado di ottenere molte informazioni sulla struttura dei nuclei atomici e sui processi che avvengono al loro interno, " spiega il dott. Lukasz Iskra (IFJ PAN).

L'ultima analisi utilizza misurazioni effettuate presso l'ANL insieme al gruppo del Prof. Robert Janssens. In questi esperimenti, obiettivi di piombo-208 o uranio-238 sono stati bombardati con ioni di piombo-208, selenio-82, germanio-76, nichel-64 o calcio-48. La radiazione gamma è stata registrata da un rivelatore Gammasphere, composto da 108 rivelatori al germanio di alta qualità (questo strumento spettacolare può essere visto, tra gli altri, nel film Hulk ).

Con sorpresa dei ricercatori, l'ultima analisi ha portato a rilevare strutture e fenomeni nei nuclei di piombo-208 che non erano previsti dalla teoria attuale. Sono stati osservati molti nuovi stati energetici, e tre sono stati trovati essere stati isomerici, e quindi molto più stabile di altri. Negli stati normali, il nucleo si verifica per picosecondi, mentre in uno degli stati isomerici, il nucleo è stato rilevato per un massimo di 60 nanosecondi (miliardesimi di secondo), ovvero mille volte più lungo.

Di maggior interesse sono stati i risultati che suggeriscono lo spin collettivo in un nucleo sferico, e quindi non deve girare, secondo la meccanica quantistica. I ricercatori presumono che ad alti spin, un nucleo rigido è formato nel nucleo di piombo-208; la successiva massa elementare più alta è il nucleo doppiamente magico, cioè stagno-132. Sembra che questo nucleo non giri, ma lo strato esterno formato dagli altri 76 nucleoni ruota.

"A partire da certi stati ad alto spin, il nucleo di piombo-208 cessa di essere un oggetto omogeneamente rigido, come, Per esempio, la luna geologicamente quasi morta. Un'analogia astronomica migliore sarebbe un corpo roccioso con un'atmosfera molto densa, ma non calmo come Venere o Titano. Questa atmosfera dovrebbe muoversi rapidamente sulla superficie, quindi potrebbe essere come un uragano globale, " afferma il Prof. Broda. Questo nuovo modello consentirà ai teorici di incorporare ulteriori fenomeni e aumentare la precisione delle sue previsioni.