Andrej Herzáň: „Fascinuje ma atómové jadro a jeho deformácie“

28. dec. 2019 • Fyzikálne vedy

Andrej Herzáň: „Fascinuje ma atómové jadro a jeho deformácie“

V novembri sa vo Viedni konalo stretnutie predstaviteľov akadémií vied Vyšehradskej štvorky, Rakúska a Slovinska, na ktorom vedci oznámili založenie medzinárodnej vedeckej platformy. Tá by mala uľahčiť spoluprácu medzi spomínanými krajinami a pomôcť im uspieť v schéme Horizont Europe. Na stretnutí vedcov prezentoval svoj výskum o Kvantových systémoch aj jadrový fyzik Andrej Herzáň, vedecký pracovník Fyzikálneho ústavu SAV, ktorý sa venuje výskumu deformácií atómových jadier.

Načo slúži výskum o deformácii atómových jadier? Aké má praktické využitie?

Predstavte si seba ako vzpriamene stojíte a hneď nato natiahnite ruky nad seba. Postoj s rukami nad hlavou vás takpovediac predĺži, avšak z pohľadu vášho tela a vykonanej práce to nie je zadarmo. Rovnako aj ja zostanem radšej vzpriamene stáť, než aby som mal zotrvať v predklone. Iný príklad: pre vodu je z určitých dôvodov výhodný tvar gule. Napríklad jeden z modelov atómového jadra sa volá kvapkový model (Liquid-drop model). Dlhú dobu si fyzici mysleli, že jadrá v základnom stave majú vždy sférický tvar. Výskumom ale postupne zisťujeme, že mnoho jadier má vo svojom základnom stave deformovaný tvar. Prekvapujúce je, že deformovaných jadier sa ukazuje byť viac, než tých sférických. Naviac, pri nízkych energiách vzbudenia bola v mnohých jadrách pozorovaná takzvaná tvarová koexistencia. To znamená, že jadro môže existovať v stavoch s rôznou deformáciou takpovediac „naraz“. Ja sa venujem základnému výskumu a hľadaniu odpovedí na otázky, ako a prečo sa príroda správa týmto spôsobom. Fenomén deformácie jadier nie je dodnes uspokojivo pochopený. Na praktické využitie tohto výskumu si ešte budeme musieť počkať, rovnako, ako to bolo napríklad v prípade vyšetrení PET (pozitrónová emisná tomografia) a MRI (zobrazovanie magnetickou rezonanciou), ktoré sú dnes bežne dostupné a sú vynikajúcim príkladom využitia základného výskumu v oblasti jadrovej fyziky.

Čo sú to kvantové systémy a ako ich naše vedomosti o deformácií atómového jadra pomáhajú vysvetliť?

Ak sa ponoríme do mikrosveta, zistíme, že princípy klasickej mechaniky pri opise správania sa objektov zlyhávajú. Na ich opis potrebujeme kvantovú mechaniku. Svetelné lúče, keď sa zadívame do ranného svitu Slnka, sú kvantá energie - fotóny, ktoré sa niekedy správajú ako častica, inokedy ako vlna. Hovoríme o duálnej povahe. Iným príkladom je kvantové auto, ktoré sa môže hýbať iba istými rýchlosťami. Klasickú fyziku nemožno použiť ani na opis správania sa atómového jadra. Všetky pokusy mali rovnaký výsledok – atóm a atómové jadro by nemohli „prežiť“. Štúdium štruktúry atómového jadra má v tomto smere dôležité postavenie. Skúmame, ako sa kvantové častice správajú a vzájomne ovplyvňujú, keď sú „uväznené“. Ako príklad uvediem koexistenciu stavov s rôznou deformáciou, ktorá je vo svojej podstate kvantovo-mechanický problém.

Ako prebieha výskum kvantových systémov v praxi?

Atómové jadro je skvelým príkladom kompaktného kvantového systému. V súčasnosti nemáme k dispozícii model, ktorý by s dostatočnou presnosťou dokázal poskytnúť teoretický opis vlastností a javov pozorovaných v atómových jadrách. Jedným z hlavných dôvodov je nutnosť riešiť problém mnohých častíc s kvantovo-mechanickou povahou. Veľkú časť nameraných dát je náročné interpretovať, pričom neistoty výstupov týchto modelov zväčša narastajú s veľkosťou oblasti v tabuľke izotopov, na ktorú daný model aplikujeme. Toto platí predovšetkým pre ťažké a takzvané  superťažké jadrá. Výsledkom je neúplná informácia o povahe štruktúr v skúmaných jadrách. Na prekonanie tohto problému je potrebné mať k dispozícii veľký počet zmeraných vzbudených stavov naprieč izotopickými radmi. Tie potom potrebujeme na testovanie modelov štruktúry atómového jadra a fitovanie ich vlastných parametrov. Samotné určovanie neistôt je ešte o triedu náročnejšie. Jadrá totiž musíme skúmať systematicky. Veľakrát sa stáva, že jav pozorovaný v niekoľkých susediacich jadrách sa o kúsok ďalej už nevyskytuje. Bez preskúmania veľkého počtu jadier by bolo zavádzajúce tvrdiť, že niektorý pozorovaný jav je ojedinelý. Modely atómového jadra zasa potrebujú čo najviac experimentálnych dát, aby boli ich neistoty čo najmenšie.

Nepochybne ide o široké spektrum meraní a informácií.

Na to, aby sme mohli hovoriť o uspokojivom zdroji informácií pre vývoj modelov, musí byť takáto informácia dostupná pre izotopy siahajúce od stabilných jadier až k limitom ich existencie, k extrémom tabuľky izotopov. To už hovoríme o oblasti, kde jadro s extra protónom alebo neutrónom nie sú naďalej viazanými kvantovými systémami, ale dochádza k samovoľnej emisii týchto častíc z jadra. Ak to tak nie je, naše modely vždy v istom bode zlyhajú.Andrej Herzáň. Foto: Foto: ÖAW/Elia Zilberberg

Ako vyzerá váš bežný deň v práci, ako sa vlastne skúmajú atómy?

Výhodou vedca je, že nikdy neupadnete do stereotypu. Môžete si skúsiť vopred naplánovať deň, no v konečnom dôsledku si výskum odkrojí z vašej pozornosti presne toľko, koľko potrebuje a nepýta sa vás, kedy je ten správny čas. Každý jeden deň je výnimočný a najkrajšie na mojej práci je objavovanie nového. Fyzikálny ústav SAV má svoj vlastný tandemový urýchľovač častíc, ktorý sa nachádza na detašovanom pracovisku v Piešťanoch. Pomocou tohto urýchľovača a iných zariadení vieme študovať atómové jadrá tým, že ich energeticky vzbudíme a pozeráme sa, čo nám následne o sebe o sebe prezradia. Navyše, experimentálna fyzika je dnes tímovou záležitosťou, takže práca so zvedavými a šikovnými študentami je ďalším bonusom.

Komplikovanosť štruktúry atómového jadra podľa vás spôsobuje aj to, že nevieme presne odhadnúť zastúpenie chemických prvkov v našom vesmíre. Aj tu merania vedcov zlyhávajú?

Áno a jedným z hlavných dôvodov je takzvaná beta premena atómového jadra, pri ktorej je často v dcérskom jadre kumulovaný veľký počet vysoko vzbudených hladín, ktorých energie sa od seba málo líšia. Presné zmeranie týchto hladín je mnohokrát experimentálne mimo náš dosah. Pre astrofyzikálne modely vysvetľujúce pomery a zastúpenie jednotlivých prvkov vo vesmíre je dôležité poznať veličinu známu ako účinný prierez, a to s čo najmenšou chybou. V kozme beta premena často populuje veľký počet stavov v dcérskom jadre, ktoré sa energeticky nebadateľne líšia. Štúdium týchto procesov a stavov v laboratóriách je náročné, treba mať k dispozícii veľmi účinné, citlivé detekčné systémy a súhru iných vecí. Je preto pravdepodobné, že niektoré stavy „obídeme“, čo má za následok nepresné experimentálne dáta a to zasa neistotu v modelovaní.

Pred predstaviteľmi akadémií vied ste prezentovali štúdium jadrovej štruktúry vybraných  izotopov, pričom ide o jadrá, ktoré majú iba o jeden protón viac než jadrá bežného, známeho kovu – olova. Prečo sú tieto jadrá také zaujímavé?

Pretože sú ďalej od línie stability. Návrh tohto experimentu bol v plnom rozsahu schválený medzinárodnou programovou komisiou Urýchľovačového laboratória Univerzity v Jyväskylä vo Fínsku a ja som hlavným riešiteľom celého projektu a vediem ho už 7. rok. Poloha týchto jadier v tabuľke izotopov vyzýva k ich detailnému preštudovaniu, pretože významne prispejú k rozšíreniu našich vedomostí o exotických ťažkých jadrách. Táto oblasť atómových jadier je dobre známa pre silnú manifestáciu tvarovej koexistencie a štruktúr s multi-kvázičasticovými konfiguráciami. V súvislosti s exotickými jadrami sa vrátim do čias, kedy som pôsobil ako vedecký pracovník na University of Liverpool vo Veľkej Británii . Medzinárodná vedecká kolaborácia, ktorej som súčasťou, stojí za objavmi hneď niekoľkých nových izotopov, ako napr. 165Pt, 170Hg, 236Bk a 240Es.

Spektrometer TATRA. Foto: SAV

Po celý čas hovoríme o základnom výskume. Aký je do budúcna predpoklad, že by tento výskum mohol vyústiť do aplikovaného výskumu a teda do praxe? Pýtam sa najmä preto, lebo Slovensko je krajinou, ktorá vo veľkom využíva a produkuje jadrovú energiu.

Štúdium beta premeny jadier je neodmysliteľnou súčasťou základného výskumu. V CERN-ISOLDE realizujeme merania pomocou unikátneho a inovatívneho zariadenia TATRA (TATRA-2) vyvinutého mojimi kolegami na Fyzikálnom ústave SAV. Výsledky sú dôležité nie len pre samotné štúdium jadrovej štruktúry a s tým súvisiacich teoretických modelov, ale aj odvetví akými je napríklad jadrová energetika  a proces vyhárania jadrového paliva. Ak chceme pochopiť štruktúru atómového jadra a všetkých javov, ktorými sférické a deformované jadrá oplývajú, nezaobídeme sa bez kvantovej mechaniky, ktorá je jedinečným nástrojom v rukách fyzikov.

Spracovala: Monika Hucáková

Uverejnila: tl

Súvisiace:

Hore
Aurelium - centrum vedy
Quark_2020
Quark 25 rokov
kúpa časopisov jún 2016
TAG Slovenská veda
banner záhrady
Publikácie Veda v CENTRE
Zaujímavosti vo vede
Vlastnosťou ortuti je, že po uvoľnení sa do životného prostredia, môže zostať v obehu tisíce rokov.
Zistite viac