Jadrová energia – Má atómové jadro kožu?

Písmo: A- | A+

Je to fascinujúce. Vedci zistili, že štruktúra atómového jadra je iná, ako sme si mysleli, a že to „vyzerá“ akoby jadro malo „tenučkú pokožku“.

Jadrová energia – Má atómové jadro kožu?

Je to fascinujúce. Vedci zistili, že štruktúra atómového jadra je iná, ako sme si mysleli, a že to „vyzerá“ akoby jadro malo svoju vlastnú „tenučkú pokožku“. 

Obrázok blogu

Nielen to, ukazuje sa, že to čo si vedci a astronómovia dávno mysleli, a to že napriek rozdielu v dĺžke až 18 rádov sú vnútorná štruktúra neutrónových hviezd a priestorové rozloženie neutrónov v atómových jadrách hlboko spojené.

Obrázok blogu

Vedci sa už celé generácie snažia pochopiť zákony, ktoré určujú usporiadanie stavebných prvkov hmoty.

Prvé úspechy pochádzali z chémie, ktorá zisťovala, ako sa atómy spájajú a vytvárajú molekuly, zatiaľ čo neskoršie úspechy priniesla atómová fyzika, ktorá zisťovala, ako sa elektróny a atómové jadrá spojili a vytvorili atómy.

Obrázok blogu

Podrobnejšie pochopenie toho, ako sa protóny a neutróny kombinujú, aby vytvorili atómové jadrá, si však vyžadovalo viac práce. Nedávne meranie ešte viac osvetlilo štruktúru atómových jadier.

Obrázok blogu

Jadroví fyzici uskutočnili nové, veľmi presné meranie hrúbky neutrónovej „kože“, ktoré zahŕňa hlavné jadro v experimentoch uskutočnených v Národnom urýchľovači Thomasa Jeffersona z amerického ministerstva energetiky, ktoré boli práve zverejnené vo Fyzikálnych prehľadových listoch.

Výsledok, ktorý odhalil hrúbku neutrónovej kože 0,28 milióntiny nanometra, má dôležité dôsledky pre štruktúru a veľkosť neutrónových hviezd.

Obrázok blogu

Kam idú tie neutróny, ktoré sú v atóme "navyše"?

Na takúto zdanlivo jednoduchú otázku skoro nemožná a zatiaľ neznáma odpoveď. 

Veda nám odkrýva a poskytuje zásadné nové poznatky o štruktúre atómových jadier a zároveň aj neutrónových hviezd v kozme. 

Bránou k poznaniu sú výskumy magického izotopu Olova-208 (po latinsky Pb-Plumbum), ktorý obsahuje 82 protónov a 126 neutrónov. Ako dvojnásobne najťažšie známe magické jadro má 208-Pb osobitné miesto v komunite jadrovej fyziky. Rovnako ako ušľachtilé plyny s naplnenými elektronickými obalmi vykazujú nízku úroveň chemickej reaktivity, dvojnásobne magické jadrá s naplnenými protónmi a neutrónovými obalmi vykazujú vynikajúcu stabilitu. 

Pretože 208-Pb je ťažké, Coulombov odpor medzi jeho protónmi vedie k veľkému nadbytku neutrónov. 

Vedci pracujúci v Národnom urýchľovači Thomasa Jeffersona (TJNAF) v Newport News vo Virgínii (USA) použili na štúdium jadra atómov olova lúč elektrónov. Olovené jadrá obsahujú 82 protónov a 126 neutrónov a vedci sa snažili zistiť, ako sú protóny a neutróny usporiadané.

V veľkom zjednodušení povedané - protóny aj neutróny sú pod vplyvom „silných jadrových síl“, ktoré ich drží pohromade. Ale protóny majú kladný elektrický náboj, ktorý zároveň tlačí protóny od seba. A neutróny sú elektricky neutrálne, teda nie sú pod vplyvom elektromagnetických síl a nie sú teda odpudzované.

V prvej tretine dvadsiateho storočia, čo sú prvé roky jadrovej fyziky, si vedci mysleli, že neutróny pôsobia niečo ako rozpery medzi protónmi, čím znižujú silu medzi blízkymi protónmi. Niektorí vedci si mysleli, že protóny by boli mohli byť vytlačené na povrch jadra s neutrónovým jadrom. A iní si zase mysleli, že protóny a neutróny sú v jadre celkom dobre zmiešané.

Obrázok blogu

Na hornom obrázku je jadro olova-208, ktorá zobrazuje zmiešané jadro protón-neutrón a neutrónovú „kožu“ (vľavo). Meranie hrúbky "neutrónovej kože" ponúka informácie o štruktúre neutrónových hviezd (vpravo).

V roku 2012 urobili vedci „Experiment s polomerom olova - Lead Radius Experiment“ (alebo PREx, ktorý používa atómový symbol „Pb“ pre olovo) založený na TJNAF použil na definitívne zodpovedanie lúča elektrónov. 

A zistili, že jadro je pokryté nejakou akoby „neutrónovou kožou“. 

Samozrejme, že tento pojem je trochu zavádzajúci, takže to vysvetlíme.

Nedávne meranie, tiež spoluprácou s PREx, nielen že potvrdilo ich skorší výsledok a ešte navyše zlepšilo presnosť. Zistili, že protóny vedúceho jadra sú obsiahnuté vo sfére 5,5 femto-metra, zatiaľ čo neutróny boli obsiahnuté vo sfére 5,8 femto-metra. 

Rozdiel cca 0,3 femto-metra je teda tá akože „neutrónová koža“.

Poznámka: Femto-meter je 10 na mínus 15 metrov (10 ^ - 15) metrov.

Experiment.

Obrázok blogu

Základná technika merania sa spoliehala na rozdiely v tom, ako sa správajú elektromagnetické a slabé jadrové sily, keď je zapojený sub-atomárny spin.

Na obrázku vľavo vidíte cieľové zariadenie s olovom, použité v experimente PREx.

Každý elektrón vo zväzku bol pripravený so špecifickým sub-atomárnym spinom, napríklad ak by ste sledovali, ako elektrón smeruje priamo k vám, zdá sa, že sa točí buď v smere hodinových ručičiek alebo proti smeru hodinových ručičiek. Smer rotácie elektrónového lúča sa točil 240-krát za sekundu.

Mať rotujúci elektrón bolo dôležité, pretože elektróny interagujú s protónmi a neutrónmi dvoma spôsobmi. Môžu interagovať prostredníctvom elektromagnetickej sily s protónmi a prostredníctvom slabej jadrovej sily s protónmi aj neutrónmi. Elektromagnetická sila je rovnaká pre obe konfigurácie rotácie elektrónu, zatiaľ čo slabá sila záleží od smeru rotácie elektrónu. Slabé silové interakcie teda budú prebiehať viac alebo menej, v závislosti od rotácie elektrónu.

Obrázok blogu

Ako naznačuje jeho názov, slabá sila je oveľa slabšia ako elektromagnetická sila, takže výskumníci hľadali veľmi malé rozdiely medzi rýchlosťou kolízie medzi elektrónmi a olovenými jadrami pre jednu konfiguráciu rotácie v porovnaní s druhou. Interakcie so spinom v jednom smere uprednostňovali slabé silové interakcie (s protónmi a neutrónmi), zatiaľ čo elektromagnetické interakcie (s protónmi) boli rovnaké pre obe konfigurácie spinov.

V experimente bol presne riadený lúč elektrónov poslaný tak, aby narazil do tenkej vrstvy (predtým kryogénne ochladeného) olova. Tieto elektróny sa točili v smere ich pohybu, ako futbalová lopta v špirále.

Elektróny vo zväzku interagovali s protónmi alebo neutrónmi hlavného cieľa buď prostredníctvom elektromagnetickej alebo slabej interakcie. Zatiaľ čo elektromagnetická interakcia je zrkadlovo symetrická, slabá interakcia nie je. To znamená, že elektróny, ktoré interagovali prostredníctvom elektromagnetizmu, to robili bez ohľadu na smer rotácie elektrónov, zatiaľ čo elektróny, ktoré interagovali prostredníctvom slabej interakcie, to robili prednostne častejšie, keď bola rotácia v jednom smere oproti druhému.

Obrázok blogu

Profesor Krišna Kumar, hovorca experimentu a profesor na univerzite v Massachusetts Amherst vysvetlil, že "Použitím tejto asymetrie v rozptyle môžeme identifikovať silu interakcie a tá nám hovorí o veľkosti objemu obsadeného neutrónmi. A preto nám pomôže určiť aj miesto, kde sú neutróny v porovnaní s protónmi.“

Aby bol experiment úspešný, vyžadovalo si to mimoriadne vysoký stupeň presnosti, ktorý bol dosahovaný v rozmedzí 10 atómov vo vzťahu k lúčom elektrónov, ktoré museli preletieť cca 1,5 km cez urýchľovač CEBAF a až potom boli presne navedené na cieľ.

Výsledok experimentu.

Obrázok blogu

Pomocou ich meraní vedci dokázali určiť, že v jadrách olova je sféra neutrónov o niečo väčšia ako sféra protónov. Polomer náboja bol asi 5,5 femto-metra, a distribúcia neutrónov je o niečo väčšia - okolo 5,8 femto-metra, takže neutrónová „pokožka“ má 0,28 femto-metra, čo je asi 0,28 milióntiny nanometra. Vedci tvrdia, že toto číslo je vačšie (teda že „pokožka“ je hrubšia), ako naznačovali niektoré teórie, čo má tiež dopad na fyzikálne procesy v neutrónových hviezdach a na ich veľkosť.

Obrázok blogu

Rozdiel teda bol cca 0,3 femto-metra a ako sme už písali, volajú to pracovne ak „neutrónová koža, alebo neutrónová pokožka“. 

Tento pojem je ale zavádzajúci, pretože naznačuje, že vonkajší povrch jadra olova je zložený z neutrónov. Ale úplne presne to tak nie je.

Priemer protónov a neutrónov je však asi 1,6 femto-metra, takže správnejší – presnejší obraz je, že povrch oloveného jadra obsahuje protóny aj neutróny, ale s neutrónovými „hrboľmi“ o niečo väčšími ako tie protónové. 

Ale, zároveň je teda ale tiež pravdou, že neutróny sa nachádzajú na povrchu viac ako protóny.

Toto meranie sa môže zdať niekomu možno trochu ezoterické, ale v skutočnosti má významné dôsledky v astronómii neutrónových hviezd. Výsledok PREx totiž ukázal, že spôsob, akým sú protóny a neutróny držané pohromade v jadrách olova, - že je mocnejší, tuhší ako predchádzajúce predpovede. 

A to zároveň sťažuje stlačenie jadra, a tak je v skutočnosti atómové jadro menej husté, ako sme si pôvodne predstavovali.

Čo vidíme dole, to je aj hore (a naopak).

Obrázok blogu

Tuhšie atómové jadro má dôsledky na všetku jadrovú hmotu, teda aj v kozme vrátane neutrónových hviezd, čo sú sféry s priemerom stredne veľkého mesta, ktoré sú väčšinou naplnené neutrónmi. 

Neutrónové hviezdy vznikajú na konci životov niektorých hviezd. Dve neutrónové hviezdy niekedy okolo seba obehnú. A za správnych podmienok stratia energiu pôsobením gravitačného žiarenia a nakoniec sa zrazia. 

Takáto udalosť bola zaznamenaná v auguste 2017, keď boli pomocou „LIGO“ a „Virgo“ zaznamenané signály gravitačnej vlny ich zrážky. 

Poznámka: LIGO a Virgo sú kilometrové detektory, určené na detekciu gravitačného žiarenia a nachádzajú sa v USA a Európe.

Obrázok blogu

LIGO - The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory - Gravitačné observatórium laserového interferometra je rozsiahly fyzikálny experiment a observatórium na detekciu kozmických gravitačných vĺn a na vývoj pozorovaní gravitačných vĺn ako astronomický nástroj.

 Virgo je veľký interferometer určený na detekciu gravitačných vĺn predpovedaných všeobecnou teóriou relativity. Virgo je Michelsonov interferometer, ktorý je izolovaný od vonkajších porúch: jeho zrkadlá a prístroje sú zavesené a jej laserový lúč pracuje vo vákuu.

Obrázok blogu

Podrobnosti o tom, ako sú gravitačné vlny generované pri zrážke dvoch neutrónových hviezd, sú úzko spojené s materiálovými vlastnosťami samotných hviezd. 

Keď sa obe hviezdy zrazia, gravitácia ich priťahuje k sebe a v procese ich deformuje. 

Veľkosť deformácie ovplyvňuje emitované gravitačné vlny a veľkosť deformácie určuje tuhosť hviezd.

Toto vesmírne spojenie medzi sub-atomárnym a astronomickým zdôrazňuje vzájomné prepojenie vedy a mieru, do akej môžu zdanlivo odlišné merania prichádzať pri rovnakom jave z rôznych smerov. 

Priamy výsledok experimentu a pozorovania „neutrónovej kože" bude mať za dôsledok nájdenia (určenia) tuhej stavovej rovnice – pre prípad, že sme zistili vyšší ako očakávaný tlak, takže je ťažké viac vtlačiť tieto neutróny do jadra. A teda, že sme zistili, že hustota vo vnútri jadra je o niečo nižšia, ako sa očakávalo. 

Obrázok blogu

Pre priamu aplikáciu z mikrosveta do makrosveta, kde potrebujeme poznať obsah neutrónovej hviezdy, bude potom analogickú stavovú rovnicu možné aplikovať, a potom môžeme predvídať vlastnosti daných neutrónových hviezd. Takže, ako uviedol hovorca vedeckého kolektívu: "Takže to, čím prispievame týmto meraním jadra olova, nám umožňuje lepšie extrapolovať na vlastnosti neutrónových hviezd."

Experimentálna spolupráca PREx-II zahŕňa trinásť doktorandských študentov, sedem post-doktorandských výskumných pracovníkov, ako aj viac ako 70 ďalších vedcov z približne 30 inštitúcií.

PREx je podporovaná americkou vedeckou sekciou ministerstva energetiky (DOE’s Office of Science), americkou National Science Foundation, kanadskými Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) a talianskym inštitútom Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN).

Merania PREx a LIGO / Virgo sa budú aj v ďalších rokoch navzájom dopĺňať.

Skryť Zatvoriť reklamu