Nuklearna molekula

Nuklearna molekula

Fizičari sve pojave u prirodi pokušavaju opisati s pomoću četiri temeljne sile: gravitacijske, elektromagnetske, slabe i jake (nuklearne). Posljednja je odgovorna za vezanje atomskih jezgara, a kao što joj ime i govori, bitno je snažnija od ostalih. Jakost i vrlo kratak doseg jake sile rezultira u vrlo posebnom svojstvu objekata unutar kojih djeluje. Većina atomskih jezgara sagrađenih od protona i neutrona u osnovnom i niskoležećim pobuđenim stanjima oblikom tek neznatno odstupaju od geometrije savršene kugle. Proučavanje atomskih jezgara koje odstupaju od kuglastog oblika samo po sebi stoga je vrlo zanimljivo i intenzivno se provodi od ranih dana nuklearne fizike.

Pojava deformacije nekih lakih jezgara brzo je povezana s njihovom specijalnom strukturom: nukleoni takve jezgre grupirani su u manje cjeline (tzv. grozdove, anglicizam klastere), koje se međusobno nalaze na tolikim udaljenostima da jezgra koju tvore ponekad poprima oblik bitno različit od kugle. Takve su strukture redovito prisutne kada je jedna od podcjelina alfa-čestica (odnosno jezgra helija 4He), jer riječ je o daleko najčvršće vezanoj jezgri. Unatrag desetak godina intenzivno se počela proučavati i drukčija vrsta deformiranih nuklearnih stanja (1). Riječ je o stanjima koja, uz dva ili više jako vezana klastera, sadrže i dodatne nukleone (klasteri se u tom kontekstu još nazivaju sredice). Dodatni nukleoni periodičkim prelaženjem sa sredice na sredicu izazivaju tzv. silu izmjene među njima i uzrokuju njihovo jače vezanje. Sila izmjene potpuno je kvantni efekt, dobro poznat u atomskoj fizici i kemiji. Zato i govorimo o nuklearnoj molekuli – jezgre u takvim stanjima u grubim su crtama analogne klasičnim molekulama složenim od atoma.

U dobivanju čistog eksperimentalnog dokaza za postojanje takve nuklearne strukture pogodovala nam je odnedavno dostupna mogućnost uporabe nuklearnih radioaktivnih snopova (tj. snopova koji se raspadaju u letu). Naime, do prije petnaestak godina nuklearni su fizičari u svojim akceleratorskim eksperimentima bili ograničeni u izboru snopa samo na stabilne atomske jezgre. Danas je situacija drukčija, no dostupni su radioaktivni snopovi još vrlo slaba intenziteta i vrlo loše kvalitete; rad s njima stoga je vrlo tehnički zahtjevan.

Jedan od posebno zanimljivih radioaktivnih snopova snop je jezgara 6He (T1/2= 800 ms). Ta jezgra ima vrlo posebnu građu koja: nju čine kompaktna alfa-čestica oko koje kruže dva slabo vezana neutrona. Neutroni s velikom vjerojatnošću tuneliraju čak i u klasično zabranjeno područje daleko od sredice i zbog toga je polumjer ove jezgre ekstremno velik. Jezgra 6He u takvoj je slici još po nečemu posebna: nijedan njezin binarni podsistem (5He ili 2n) nije čestično vezan. Vezan tročestični sustav koji nema vezane binarne podsustave vrlo je zanimljiv i izvan okvira nuklearne fizike. Zbog tako neobične strukture, za jezgru 6He očekivalo se da će pokazati krajnje egzotično ponašanje u nekim nuklearnim procesima (npr. fuziji na niskim energijama); istraživanja u tom smjeru još nisu dala konačan zaključak.

Ideja s kojom smo mi ušli u mjerenje nuklearnih reakcija izazvanih snopom 6He je bila krenuti od posebne strukture te jezgre i na nju dodati neku česticu i tako pokušati dobiti strukturu koja sliči molekuli. Mjerenja su obavljena u Louvain-la-Neuveu (Belgija) i u njima su, uz Nevena Soića, Đuru Miljanića i Milu Zadru s Instituta Ruđer Bošković, sudjelovali i naši suradnici iz Catanije i Edinburgha. Rezultati mjerenja objavljeni su u osam znanstvenih publikacija i na temelju tih opažanja s priličnom su sigurnošću identificirana (2) vrlo deformirana stanja jezgre 10Be; ona imaju omjer osi 2.5:1 što je najveći omjer osi među svim poznatim stanjima svih atomskih jezgara. Taj rezultat je, kao posebno zanimljiv, izdvojio (3) American Institute of Physics (krovna američka organizacija za promicanje i razvoj fizike) u svojem mjesečnom osvrtu na važna otkrića u fizici.

Jezgra 10Be u proučavanim pobuđenim stanjima najbolje se može vizualizirati (slika 1) kao dvije razmaknute alfa-čestice s dvama dodatnim neutronima koji se gibaju uglavnom duž osi simetrije sustava. Takva geometrija podsjeća na oblik utega za vježbanje i zato se ponekad govori o ‘bućicama’ (engl. dumbbell). Udaljenost alfa-čestica kod takvih stanja je vrlo velika što je samo po sebi neobično znajući za vrlo kratak doseg jake nuklearne sile; taj već potvrđen eksperimentalan rezultat predstavlja veliki izazov za moderne nuklearne teorije. Za potpuno razumijevanje te pojave potrebno je istražiti i druga slična stanja lakih jezgara – nadamo se da će bliska budućnost dovesti do daljih uzbudljivih otkrića u ovom području istraživanja...

Referencije:

(1) W. von Oertzen, Z. Phys. A 354 (1996) 37

(2) M. Milin et al., Nucl. Phys. A 753 (2005) 263

(3) AIP Physics News Updates 762, siječanj 2006.

Matko Milin

Matko Milin (1969) rođen je u Zagrebu, gdje je diplomirao i doktorirao fiziku. Najveći dio znanstvene karijere proveo je na Institutu Ruđera Boškovića u Zagrebu, a danas je zaposlen kao docent na Prirodoslovno-matematičkom fakultetu u Zagrebu. Područje su mu znanstvenog interesa lake atomske jezgre i reakcije među njima.