Le dimensioni e le forme dei nuclei con più di 100 protoni erano finora inaccessibili sperimentalmente. La spettroscopia laser è una tecnica consolidata nella misurazione delle proprietà fondamentali degli atomi esotici e dei loro nuclei. Per la prima volta, questa tecnica è stata ora estesa per misurare con precisione l'eccitazione ottica dei livelli atomici nel guscio atomico di tre isotopi dell'elemento pesante nobelium, che contengono 102 protoni nei loro nuclei e non si trovano in natura. Lo ha riferito un team internazionale di scienziati del GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Università Johannes Gutenberg di Magonza (JGU), l'Istituto Helmholtz di Magonza (HIM), TU Darmstadt, KU Lovanio in Belgio, l'Università di Liverpool nel Regno Unito e TRIUMF a Vancouver, Canada. Nuclei di elementi pesanti possono essere prodotti in quantità minime di pochi atomi al secondo in reazioni di fusione utilizzando potenti acceleratori di particelle. I risultati ottenuti sono ben descritti da modelli nucleari, che suggeriscono che i nuclei abbiano una struttura simile a una bolla con una densità inferiore al centro rispetto alla superficie. I risultati sono stati pubblicati in un recente articolo in Lettere di revisione fisica .

Gli atomi sono costituiti da un nucleo carico positivamente circondato da un guscio di elettroni. Gli elettroni interni penetrano nel volume del nucleo e quindi le energie a livello atomico sono influenzate dalla dimensione e dalla forma del nucleo atomico. Una differenza di dimensioni di due diversi nuclei atomici risultante, Per esempio, da un diverso numero di neutroni si traduce in un piccolo spostamento dei livelli di energia elettronica. Le misurazioni precise di queste energie sono possibili utilizzando la luce laser. Gli spostamenti di energia vengono tracciati variando la frequenza e di conseguenza il colore della luce necessaria per eccitare gli elettroni a livelli di energia più elevati. Finora, questo metodo poteva essere applicato solo agli isotopi di elementi più leggeri che vengono prodotti a velocità di produzione maggiori e la cui struttura atomica era già nota da esperimenti con abbondanti isotopi a vita lunga o stabili. Nuclei di elementi sopra il fermio (Fm, Z=100) possono essere prodotti in quantità minime di pochi atomi al secondo nelle reazioni di fusione e generalmente esistono solo per pochi secondi al massimo. Perciò, la loro struttura atomica non era finora accessibile con metodi spettroscopici laser.

Negli esperimenti in corso, Gli isotopi di nobelium sono stati prodotti dalla fusione di ioni calcio con piombo nel filtro di velocità SHIP presso l'impianto di accelerazione del GSI. Per abilitare la spettroscopia laser, gli atomi di nobelio ad alta energia sono stati fermati in gas argon. I risultati si basano su un precedente esperimento condotto anche al GSI, esplorando le transizioni atomiche del nobelium (No). L'elemento chimico con numero atomico 102 è stato scoperto circa 60 anni fa. Il recente esperimento ha studiato gli isotopi No-254, n.-253, e n.-252, che differiscono per il numero di neutroni costituenti nei loro nuclei, con spettroscopia laser. Le velocità disponibili per l'esperimento hanno raggiunto valori inferiori a uno ione al secondo per l'isotopo No-252.

Dalle misurazioni della frequenza di eccitazione per i singoli isotopi, lo spostamento del colore della luce laser richiesta è stato determinato per No-252 e No-254. Per n.-253, è stata inoltre risolta la frammentazione della riga in più componenti iperfini indotta dal singolo neutrone dispari non appaiato. Le dimensioni e le forme dei nuclei atomici sono state dedotte dall'utilizzo di calcoli teorici della struttura atomica del nobelio, che sono stati condotti in collaborazione con scienziati dell'Helmholtz Institute Jena in Germania, l'Università di Groningen nei Paesi Bassi, e l'Università del New South Wales a Sydney, Australia. I risultati confermano che gli isotopi del nobelium non sono sferici ma sono deformati come un football americano. La variazione misurata nelle dimensioni è coerente con i calcoli del modello nucleare eseguiti dagli scienziati del GSI e della Michigan State University negli Stati Uniti. Questi calcoli prevedono che i nuclei studiati presentano una densità di carica inferiore al centro rispetto alla superficie.

Grazie a questi studi pionieristici, ulteriori nuclidi pesanti saranno accessibili per tecniche spettroscopiche laser, consentendo un'indagine sistematica dei cambiamenti di dimensione e forma nella regione dei nuclei pesanti. Questi esperimenti sono finora possibili solo al GSI e consentono una comprensione unica e approfondita della struttura atomica e nucleare degli elementi più pesanti. I risultati giocano un ruolo anche per la futura struttura FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), che è attualmente in costruzione presso GSI. Le stesse tecniche e metodi potrebbero essere impiegati anche nel ramo a bassa energia del super-separatore di frammenti di FAIR.