Nucleele atomilor sunt compuse din protoni și neutroni care ocupă în interiorul nucleului nivele de energie; există nuclee cu numere magice de neutroni sau protoni, adică cu nivele complete. Printre acestea un rol deosebit îl joacă nucleul dublu magic staniu-100. Recent un experiment la ISOLTRAP a reușit să se apropie de acest nucleu greu de produs, prin măsurători efectuate asupra nucleului de indiu-100.

Atomii

Materia pe care o cunoaștem, cea din care și noi suntem făcuți, este alcătuită din atomi. Există circa 120 elemente chimice – adică tipuri de atomi – diverse. Atomii, la rândul lor, au o structură deosebit de complexă, cu un nucleu mic și dens în centru, în jurul căruia orbitează electronii. Nucleul este compus din protoni și neutroni. Numărul de protoni dintr-un nucleu (egal cu cel de electroni) definește elementul chimic. Un element chimic poate să aibă un număr de neutroni variabil: este vorba despre izotopi, deci același element chimic, însă cu mai mulți sau mai puțini neutroni.

Nucleele

Să vedem mai îndeaproape cum sunt alcătuite nucleele atomilor. Protonii și neutronii sunt legați în cadrul nucleelor de forța nucleară puternică; această forță acționează între cuarcii din care sunt alcătuiți protonii și neutronii și are ca efect inclusiv forța cu care aceștia se țin împreună în nuclee. Forța nucleară puternică însă nu este foarte bine cunoscută – teoria care o descrie, cromodinamica cuantică, este o teorie care are pe de o parte nevoie de date experimentale, pe de alta de noi modele matematice. În acest context una dintre modalitățile pentru a verifica aceste teorii și modele este de a le pune la încercare cu experimente efectuate în condiții deosebite: precum cele care au loc în așa-numitele nuclee magice.

Nucleele magice și staniul-100

Protonii și neutronii ocupă în cadrul nucleelor nivele de energii; aceste nivele sunt calculate pe baza teoriei, și un caz deosebit apare atunci când nivelele de energie sunt complete. În acest caz este vorba de un așa-numit nucleu magic. Nuclee magice există atât pentru protoni cât și pentru neutroni. În acest context, un caz deosebit este cel al nucleului de staniu-100, care are un dublu număr magic, deoarece atât neutronii cât și protonii sunt în număr magic: 50. În plus, staniul-100 este un caz deosebit și datorită faptului că numărul de neutroni este egal cu cel al protonilor, ceea ce pentru nucleele mai grele nu se întâmplă: de obicei numărul neutronilor depășește pe cel al protonilor. Staniul-100 este deci un nucleu cu totul deosebit – studiul acestuia ajutându-i pe teoreticieni să verifice modelele și teoriile pe care le-au pus la punct în cadrul fizicii nucleare.

ISOLTRAP

Producerea și studiul nucleului de staniu-100 este extrem de dificilă. Cercetătorii de la CERN din cadrul unui experiment la ISOLTRAP au reușit să producă și să studieze nucleul apropiat de staniu: și anume nucleul de indiu, mai mulți izotopi, indiu-101, indiu-100 și indiu-99. Dintre aceste nuclee indiul-100 este extrem de interesant, întrucât studiul acestuia contribuie la determinarea masei staniului-100, întrucât staniul-100 se dezintegrează în indiu-100 printr-o dezintegrare beta. Măsurând deci energia produsă în dezintegrare și știind masa indiului -100 se poate calcula masa staniului-100. ISOLTRAP a reușit să măsoare masa indiului-100 cu o precizie de 90 de ori mai mare decât cea precedentă, publicând rezultatul în Nature Physics.

Impactul asupra teoriei nucleare

Noua valoare măsurată a masei indiului are un impact puternic în teoria nucleară, demonstrând cum calcule „ab initio”, care descriu nucleele prin principii prime, descriu foarte bine acest nucleu. Teoria deci face pași înainte împreună cu experimentul și rezultate precum acesta ne ajută să înțelegem cum funcționează fizica nucleară în inima atomilor: adică în nucleele acestora, studiu care încă are nevoie de multe date experimentale care să îndrume pașii teoreticienilor.

Credit imagine: CERN

Rubrică realizată de Cătălina Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi Luminiţa Costea, profesoară de Fizică la Colegiul Naţional „Mihai Viteazul”, Sfântu Gheorghe