Az atommag imbolygó forgása: új eredmények az atommagok alakjának és forgásának vizsgálatában
Egy nemzetközi kutatócsoport az MTA Atomki kutatóinak vezetésével kimutatta az atommag eddig kevéssé ismert, úgynevezett imbolygó forgását egy újabb atommagban. Az eredmények megerősítik azt az elméleti előrejelzést, hogy az imbolygó forgás univerzális jelenség a háromtengelyű ellipszoid alakú atommagok esetén.
Az atom tömegének nagy része az atommagban koncentrálódik, noha az atommag mérete rendkívül kicsi a teljes atom méretéhez képest. Ha az atommagot akkorára nagyítanánk, mint egy gombostű feje, akkor a teljes atom akkora lenne, mint egy stadion. Az Az eredmények a Physical Review Letters-benatommagot protonok és neutronok alkotják, amelyeket együttesen nukleonoknak nevezünk.
A periódusos rendszerből kiolvasható rendszám adja meg egy adott elem atommagjaiban a protonok számát. Az atommag tömegszáma a benne található protonok és neutronok, vagyis a nukleonok együttes száma.
E parányi részecskék világában a kvantummechanika törvényei uralkodnak. A nukleonok között ható nagyon rövid hatótávolságú, de rendkívül erős kölcsönhatás, a magerő tartja össze az atommagot, amelynek nincs éles határfelülete, hanem egy vékony, csökkenő sűrűségű átmeneti réteg határolja. Ez a kissé elmosódott felszínű atommagalak azonban nem merev, hanem elég képlékeny. Ha változtatjuk az atommag energiáját, akkor viszonylag könnyen megváltozik az alakja. Az atommagot többnyire gömb alakúnak szoktuk elképzelni, de számos vizsgálat kimutatta, hogy lehet megnyúlt (szivar alakú), belapult (zsemle alakú) vagy akár körtéhez hasonló is. Az atommagok alakjának és alakváltozásainak felderítése a mai magszerkezet-kutatás egyik aktuális témája.
Az atommag gerjesztett állapotai
Ha az atommag energiáját növeljük például úgy, hogy meglőjük egy protonnal, akkor alapállapotából egy nagyobb energiájú, úgynevezett gerjesztett állapotba kerül. Az atommag energiája és perdülete (a forgásra jellemző vektormennyiség) nem lehet akármekkora, csak meghatározott, diszkrét értékeket vehet fel. Ezek a diszkrét energiával és perdülettel rendelkező gerjesztett állapotok azonban nem stabilak. A gerjesztett állapotban lévő atommag gamma-sugárzást bocsát ki, miközben kisebb energiájú gerjesztett állapotba vagy egyenesen az alapállapotba kerül.
A gamma-sugárzás elektromágneses sugárzás csakúgy, mint a látható fény. Azonban a gamma-sugárzás során kilépő fotonok energiája sokkalta nagyobb, mint a látható fény tartományába eső fotonok energiája.
Amíg az atommag gerjesztett állapotban van, az alapállapot energiája fölötti pluszenergiát valamilyen mozgás segítségével tárolja. Ez a mozgás lehet például az atommag felszínének vibrálása vagy a nem gömbszerű atommagok forgása. A gerjesztett állapotok rendszerének energia- és perdületértékei, valamint az ezen állapotok legerjesztődése során kibocsátott gamma-sugárzás tulajdonságai jellemzőek az adott mozgásformára, ami összefügg az atommag alakjával is. A legerjesztődés során kibocsátott gamma-sugárzás kísérleti vizsgálatával információt nyerhetünk az atommagok speciális mozgásformáiról és alakjáról.
Az atommag forgása
A nem gömb alakú atommagok legkisebb energiájú gerjesztett állapotaihoz tartozó mozgásforma a forgás. A gömbszimmetrikus atommagok a kvantummechanika szerint nem foroghatnak, hiszen egy gömbszimmetrikus kvantummechanikai rendszer térbeli elforgatása nem eredményez új állapotot. A nem gömb alakú atommagok többségének az alakja közelítőleg forgási ellipszoid, azaz az egyik tengelye körül megforgatott ellipszis (szivar alak). Az ilyen alakú atommagok a szimmetriatengelyre (azaz a szivar hossztengelyére) merőleges tengely körül foroghatnak, mely forgástengely iránya egybeesik a perdületvektoréval, és a térben állandó.
Az atommag imbolygó forgása
A legújabb atommagelméletek szerint bizonyos neutronszám- és protonszám-tartományba tartozó atommagok alakja nem forgási ellipszoid, hanem háromtengelyű ellipszoid. Az ilyen atommagok a fentebb leírt forgáson kívül egy bonyolultabb forgást is végezhetnek: gyorsan forognak az egyik főtengely körül, és ez a forgástengelyük lassabban körbefordul a térben állandó perdületvektor körül.
Ez némileg hasonló a Föld forgástengelyének elfordulásához az állócsillagokhoz képest. Egy jobban megfigyelhető, némiképp hasonló példa, amikor a felhúzott búgócsiga vagy a pörgettyű a forgástengelye körül forog, közben pedig maga a forgástengely is lassan mozog körbe-körbe.
Az atommag forgásának sematikus ábrázolása. Bal oldalon a forgási ellipszoid alakú atommag térben rögzített (Z) tengely körüli forgása, jobb oldalon pedig a háromtengelyűen deformált atommag imbolygó forgása, amelyben a (Z) forgástengely körbeforog a térben rögzített perdületvektor körül. Forrás: MTA AtomkiÚj eredmények
A 100 körüli nukleont tartalmazó atommagok tartományában eddig ezt az imbolygó forgást még kísérletileg nem mutatták ki, annak ellenére, hogy az elméletek alapján ebben a tartományban várható a legerősebb eltérés a forgási ellipszoid alaktól.
Egy nemzetközi kutatócsoport az MTA Atomki kutatóinak vezetésével vizsgálta a 105-ös tömegszámú, azaz 46 protont és 59 neutront tartalmazó palládium-atommag forgását. Kísérletileg meghatározták a gerjesztett állapotok azon új csoportját, amely az imbolygó forgáshoz tartozhat, valamint az ezen állapotok bomlásából származó gamma-sugárzások tulajdonságait.
Az alapállapotot és a lehetséges gerjesztett állapotokat egy adott atommag esetén a megfelelő energiaszintekkel szokás ábrázolni, amit nívósémának nevezünk. Ilyen nívóséma látható a 2. ábrán, ahol a vízszintes vonalak ábrázolják az energiaszinteket, a nyilak pedig az energiaszintek közötti átmenetek során kibocsátott gamma-sugárzásokat. A nyilakra írt számok a sugárzás energiáját adják kiloelektronvoltokban, az energiaszintekhez írt számok pedig az adott gerjesztett állapothoz tartozó perdületértéket kvantummechanikai egységben. Az energiaszinteket csoportokba, sávokba lehet rendezni aszerint, hogy mely mozgásformához tartoznak.
A 105-ös tömegszámú palládium- (105Pd) atommag nívósémája a forgási sávhoz tartozó energiaszintekkel. Az A betűvel jelölt sáv a térben rögzített tengelyű forgáshoz tartozik, a B betűvel jelölt sáv pedig az imbolygó forgáshoz. Forrás: MTA AtomkiA kísérletben a franciaországi IReS kutatóintézet részecskegyorsítóját és a nemzetközi együttműködésben létrehozott EUROBALL gamma-detektorrendszert, valamint a DIAMANT töltöttrészecske-detektort használták. Ez utóbbinak a kifejlesztésében az MTA Atomki kutatói szintén vezető szerepet játszottak.
A méréshez használt DIAMANT detektor Forrás: MTA AtomkiA kapott kísérleti eredmények jól egyeznek az atommagelméleti számítások előrejelzéseivel, és azt bizonyítják, hogy a 105-ös tömegszámú palládium-atommagnak valóban háromtengelyű ellipszoid alakja van. Az eredmények az imbolygó forgás jelenlétét is igazolják. Ez volt az első olyan kísérlet, amelyben az imbolygó forgást egy páratlan számú neutront tartalmazó atommagban figyelték meg. Az eredmények megerősítik azt az elméleti előrejelzést, hogy az imbolygó forgás általános jelenség a háromtengelyű ellipszoid alakú atommagok esetén.
Az eredményeket az egyik legrangosabb fizikai szakfolyóirat, a Physical Review Letters közölte.
