Fyzici zo SAV prišli s novými poznatkami o atómovom jadre

29. máj. 2020 • Fyzikálne vedy

Fyzici zo SAV prišli s novými poznatkami o atómovom jadre

Medzinárodný tím pod vedením Fyzikálneho ústavu Slovenskej akadémie vied (SAV) publikoval v týchto dňoch významnú prácu v časopise Physics Letters B. Výsledky vedcov naznačujú, že rôzne tvary v atómovom jadre komunikujú medzi sebou aj inak, ako sa doteraz domnievali.

O tom, čo tieto zistenia znamenajú nielen pre jadrových fyzikov, ale aj pre náš bežný život, sme sa porozprávali s vedúcim výskumného tímu z Fyzikálneho ústavu SAV, doktorom Martinom Venhartom.

Skúmaniu atómového jadra sa venujete celú svoju vedeckú kariéru. Čo dnes vo všeobecnosti o ňom vieme?

Atómové jadro predstavuje jeden zo základných spôsobov organizácie hmoty okolo nás. Tvoria ho protóny a neutróny. Nie je to guľatý objekt, protóny a neutróny majú tendenciu usporiadať sa do deformovaných tvarov a pripomínajú napríklad loptu na britské ragby. Len veľmi zriedkavo sú atómové jadrá sférické alebo guľaté. Zatiaľ nepoznáme mechanizmus, ktorý je za týmto javom.

Ako je to možné?

Napriek viac ako storočnému výskumu, máme stále veľmi málo dát týkajúcich sa štruktúry atómového jadra. Je natoľko malé, že v bežnom živote neprichádzame do kontaktu s jadrovými javmi, teda s výnimkou rádioaktivity. Mimo fyzikálneho laboratória sa ale človek s jadrovými javmi nestretne.

Výnimočne sa ale môžeme stretnúť s rádioaktivitou.

Áno, rádioaktivita je žiarenie, ktoré produkujú nestabilné jadrá. V súčasnosti poznáme okolo 3500 atómových jadier a z nich sa len necelých 300 nachádza v prírode. Ide o izotopy, o ktorých hovoríme, že sú vo svojej podobe stabilné. Počet protónov a neutrónov, ktoré majú, sa vo veľmi dlhej časovej škále nemení. Mnohé z nich môžu byť v skutočnosti rádioaktívne, ale keďže žijú veľmi dlho, nám sa javia ako stabilné. Potom sú tu ostatné – nestabilné jadrá, ktoré nemajú optimálny pomer medzi protónmi a neutrónmi a snažia sa ho nejako optimalizovať. Prejavom tejto optimalizácie je jav, ktorý nazývame rádioaktivita, čiže samovoľná premena jedného atómového jadra na iné, ktorá je vždy sprevádzaná emisiou žiarenia.

Skôr, než prejdeme k vašim najnovším zisteniam o atómovom jadre, vysvetlime si ešte dobu polpremeny, ktorá nevyhnutne súvisí so spomínanou stabilitou.

Je to doba, za ktorú sa polovica jadier premení na iné. Stabilné jadrá môžu mať dobu polpremeny extrémne dlhú, prevyšujúcu napríklad až doterajší vek vesmíru. Rozličné chemické prvky sa vyznačujú rôznym zastúpením stabilných izotopov. Napríklad cín, z ktorého sa robia plechovky, má až desať izotopov, ale lítium má len dva izotopy. Zlato má len jeden jediný izotop stabilný, všetky ostatné sú rádioaktívne a žijú rôzne dlho.

A práve zlato sa dostalo do centra vašej pozornosti. V jeho „hlbokom“ vnútri ste objavili niečo, čo doteraz jadroví fyzici nevedeli.

Zamerali sme sa na izotop zlata 177. Toto číslo hovorí, koľko je v ňom spolu protónov a neutrónov. Protónov je 79, vďaka nim je to zlato. Neutrónov je 98, tie držia celé jadro pohromade. Stabilné zlato, ktoré sa nachádza napríklad v prsteni, je zlato 197 a má až 118 neutrónov. Zlato, ktoré sme študovali, má teda o 20 neutrónov menej. To spôsobuje, že je veľmi nestabilné a doba jeho polpremeny je na úrovni 1,5 sekundy. Keď pozorujeme vzorku, trvá to 1,5 sekundy, než z nej máme polovicu. O ďalšiu 1,5 sekundy už z nej máme len štvrtinu, a tak ďalej. Po uplynutí 15 sekúnd môžeme povedať, že už nemáme nič, vzorka je prakticky vymretá.

Vo vnútri jadra dochádza ku komunikácii, o ktorej si vedci doteraz mysleli, že je iná, ako zaznamenal váš detektor.

Každé atómové jadro je kvantovomechanický systém, má svoj systém vzbudených stavov. Najnižší stav sa volá základný. Existujú aj také vzbudené stavy, v ktorých má každé atómové jadro svoju dobu polpremeny. Zaujímavosťou je, že vzbudené stavy atómových jadier majú obrovský rozsah hodnôt, ktoré môžu nadobúdať. Väčšinou platí, že atómové jadrá, ktoré sú podobne tvarované, napríklad majú spomínaný tvar ako britské ragby, sa aj podobne premieňajú. Len neochotne zmenia svoj tvar napríklad na sférický. Prejaví sa to predĺžením doby polpremeny, a teda sa ich proces premeny spomalí.

V zlate 177 toto pravidlo neplatí. Pravdepodobnosť, že sa jeho atómové jadro zmení na podobný tvar, je iba 50 %. Vyvoláva to efekt, ktorému sa v kvantovej mechanike hovorí zmiešavanie vlnovej funkcie. V jednom z tých vzbudených stavov je atómové jadro zlata 177 asi s 50 % pravdepodobnosťou sférické a s 50 % pravdepodobnosťou veľmi deformované.

Na túto otázku bude zrejme ťažké odpovedať. Aký význam má váš objav pre bežnú prax? Čo nám to hovorí o hmote, ktorá je okolo nás?

Obrovským nedostatkom, ktorý má jadrová fyzika, je to, že ešte stále nerozumieme základným mechanizmom, pretože nemáme dosť dát. Teoretické modely atómového jadra potrebujú záchytné body a my sme jeden dôležitý našli, preto prináša výsledok našej práce veľmi cenný poznatok. Ukazuje, že stavy môžu nastať, s akou pravdepodobnosťou môžu nastávať vzbudené stavy, čo zásadne ovplyvňuje to, ako sa bude atómové jadro správať.

Monika Hucáková

Ilustračný obrázok: istockphoto.com                                                                                                                                        

Súvisiace:

Hore
TVT2020 prihlasovanie
Veda v CENTRE / Vedecká kaviareň 6/2020
TVT2020 súťaže
Vedec roka SR
Vedecká cukráreň video
VC 6/2020 železany
Quark_2020
Veda v CENTRE máj
Vedecká cukráreň 5/2020
Aurelium - centrum vedy
Vírusy, vakcíny, imunita
Quark 25 rokov
kúpa časopisov jún 2016
TAG Slovenská veda
banner záhrady
Publikácie Veda v CENTRE
Zaujímavosti vo vede
Železo je prítomné vo všetkých biologických systémoch a bunkách.
Zistite viac