Είναι πράγματι μαγικός ο πυρήνας του οξυγόνου-28;

Ο πυρήνας του oξυγόνου-28 περιέχει 20 νετρόνια και οκτώ πρωτόνια. Αυτό το παράξενο ισότοπο του οξυγόνου αναζητείται εδώ και πολύ καιρό από τους φυσικούς, καθώς οι υποτιθέμενες ασυνήθιστες ιδιότητές του θα τους επέτρεπαν να ελέγξουν τις θεωρίες για το πώς λειτουργούν οι ατομικοί πυρήνες. Μετά από δεκαετίες πειραμάτων, οι φυσικοί υποστηρίζουν ότι δημιούργησαν το οξυγόνο- 28 και ότι οι ιδιότητές του έρχονται σε αντίθεση με τις θεωρητικές προβλέψεις!

Εντοπίστηκε επιτέλους το σπάνιο ισότοπο οξυγόνου και φαίνεται πως αψηφά τις προσδοκίες των φυσικών. Το οξυγόνο-28 μπορεί να ωθήσει τους φυσικούς να ανανεώσουν τις θεωρίες για το πώς είναι δομημένοι οι ατομικοί πυρήνες.

Το οξυγόνο-28 είναι ένα ισότοπο οξυγόνου που σε σχέση με το κοινό οξυγόνο-16, έχει 12 επιπλέον νετρόνια στον πυρήνα του. Οι επιστήμονες έχουν προβλέψει εδώ και καιρό ότι αυτό το ισότοπο θα έπρεπε να είναι ασυνήθιστα σταθερό. Αλλά οι αρχικές παρατηρήσεις του πυρήνα ²⁸O δείχνουν ότι κάτι τέτοιο δεν ισχύει: διασπάται πολύ γρήγορα μετά τη δημιουργία του, σύμφωνα με την πρόσφατη δημοσίευση στο περιοδικό Nature (First observation of ²⁸O). Αν τα συμπεράσματα της εν λόγω εργασίας αναπαραχθούν και από άλλες ερευνητικές ομάδες, τότε οι φυσικοί ίσως χρειαστεί να τροποποιήσουν τις θεωρίες που περιγράφουν τον τρόπο δόμησης των ατομικών πυρήνων.

Η ισχυρότερη δύναμη στο σύμπαν είναι αυτή που συγκρατεί μαζί τα πρωτόνια και τα νετρόνια στον πυρήνα ενός ατόμου. Οι φυσικοί προσπαθούν να κατανοήσουν όσο το δυνατόν καλύτερα την ισχυρή πυρηνική δύναμη, ωθώντας τους πυρήνες στα άκρα. Ένας δημοφιλής τρόπος γιαυτό είναι να προσθέτουν στους ελαφρούς πυρήνες όπως το οξυγόνο, επιπλέον νετρόνια και να παρατηρούν τι θα συμβεί.

Η θεωρία της πυρηνικής φυσικής μας λέει ότι οι ατομικοί πυρήνες με συγκεκριμένο αριθμό πρωτονίων και νετρονίων είναι εγγενώς σταθεροί. Αυτό συμβαίνει επειδή τα πρωτόνια και τα νετρόνια γεμίζουν «φλοιούς» στον πυρήνα. Η Maria Goeppert Mayer ήταν η πρώτη που συνειδητοποίησε ότι οι πυρήνες με 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 πρωτόνια ή νετρόνια ήταν ιδιαίτερα σταθεροί. Αργότερα, οι αριθμοί αυτοί έγιναν γνωστοί ως «μαγικοί αριθμοί», όρος που επινόησε ο Eugene Wigner, καθώς ήταν επιφυλακτικός με το πρότυπο των φλοιών που διατύπωσε η Mayer. Όταν ένας πυρήνας έχει μαγικό αριθμό νετρονίων και μαγικό αριθμό πρωτονίων, γίνεται «διπλά μαγικός» – και επομένως πολύ πιο σταθερός.

Η πιο άφθονη μορφή του οξυγόνου στη φύση, το ¹⁶O, είναι διπλά μαγική, λόγω των οκτώ πρωτονίων και οκτώ νετρονίων του. Το οξυγόνο-28, με 8 πρωτόνια και 20 νετρόνια, είναι επίσης διπλά μαγικό. Αλλά οι φυσικοί μέχρι τώρα δεν μπορούσαν να το δημιουργήσουν.

Η δημιουργία και παρατήρηση του ²⁸O απαιτούσε πολλά πειραματικά ‘κατορθώματα’. Κλειδί ήταν οι ισχυρές ροές ραδιενεργών ισοτόπων που παράγονται από το Riken RI Beam Factory στο Wako της Ιαπωνίας. Οι επιστήμονες εκτόξευσαν μια δέσμη ισοτόπων ασβεστίου-48 σε έναν στόχο βηρυλλίου, δημιουργώντας έτσι το ισότοπο του φθορίου-29 (²⁹F). Ο πυρήνας αυτού του ισοτόπου έχει ένα πρωτόνιο περισσότερο από το ²⁸O αλλά τον ίδιο αριθμό νετρονίων. Στη συνέχεια, οι επιστήμονες χρησιμοποιώντας ένα παχύ φράγμα υγρού υδρογόνου, έδιωξαν ένα πρωτόνιο από τον πυρήνα του ²⁹F, δημιουργώντας το ²⁸O.

To Riken RI Beam Factory στο Wako, στην Ιαπωνία, δημιουργεί δέσμες ραδιενεργών ισοτόπων

Αυτή η σπάνια μορφή οξυγόνου ήταν πολύ βραχύβια για να παρατηρηθεί άμεσα. Αντίθετα, η ομάδα εντόπισε τα προϊόντα διάσπασής του: το ισότοπο οξυγόνο-24 συν τέσσερα νετρόνια, μια μέτρηση που πριν από μερικά χρόνια φαινόταν αδύνατη. Είναι η πρώτη φορά που οι επιστήμονες ανιχνεύουν τέσσερα νετρόνια ταυτόχρονα. Για να παρατηρήσουν μεμονωμένα νετρόνια, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν έναν ισχυρό ανιχνευτή που κατασκευάστηκε για αυτόν τον σκοπό. Σε αυτόν τον εξειδικευμένο ανιχνευτή, τα εισερχόμενα νετρόνια αποκαλύπτονται όταν χτυπούν τα πρωτόνια.

Παρόλο που οι φυσικοί δεν κατάφεραν να μετρήσουν την διάρκεια ζωής του ²⁸O, το ισότοπο δεν συμπεριφέρθηκε σαν να ήταν διπλά μαγικό – διαλύθηκε σχεδόν αμέσως μετά την δημιουργία του

Το ²⁸O δεν είναι η πρώτη παραβίαση της καθολικότητας των μαγικών αριθμών στην πυρηνική φυσική. Μια ομάδα επιστημόνων απέδειξε το 2009 ότι ο πυρήνας ²⁴O – σε αντίθεση με το εγχειρίδιο πυρηνικών κανόνων – συμπεριφέρεται σαν να είναι διπλά μαγικός. Τα 8 πρωτόνια και τα 16 νετρόνια του είναι ισχυρά συνδεδεμένα μεταξύ τους, δίνοντάς του μια σχετικά μεγάλη διάρκεια ζωής- χρειάζονται περίπου 61 χιλιοστά του δευτερολέπτου για να διασπαστούν οι μισοί από τους πυρήνες ²⁴O. Αυτό σημαίνει ότι σε ορισμένους πυρήνες το 16 θα μπορούσε επίσης να είναι ένας μαγικός αριθμός.

Προς το παρόν, το μυστηριώδες ²⁸O εγείρει μια ολόκληρη σειρά ερωτημάτων σχετικά με τις ισχυρές δυνάμεις που συγκρατούν τους πυρήνες. Οι φυσικοί ονειρεύονται τα πιθανά επόμενα βήματα, όπως για παράδειγμα την πιθανή δημιουργία και ανίχνευση του οξυγόνου-30. Επειδή η σταθερότητα διαφορετικών ισοτόπων είναι μια σχετική μέτρηση, θα ήταν χρήσιμο να συγκρίνουμε το ²⁸O με αυτόν τον βαρύτερο, αλλά προς το παρόν αόρατο γείτονα.

Είναι τόσο απλό και τόσο περίπλοκο. Πόσα πρωτόνια και νετρόνια μπορούμε να βάλουμε μαζί σε έναν πυρήνα και αυτά να παραμένουν συνδεδεμένα μεταξύ τους; Προς το παρόν δεν γνωρίζουμε ποιό είναι το τελικό όριο.

πηγές:
1. Rare oxygen isotope detected at last – and it defies expectations – https://www.nature.com/articles/d41586-023-02713-3
2. Physicists finally observe strange isotope Oxygen 28 – raising fundamental questions – https://www.nature.com/articles/d41586-023-02731-1

https://physicsgg.me/

πηγές: