Recent un nou record în producerea celui mai ușor izotop de magneziu a fost realizat de către un grup de cercetători la un experiment efectuat la ciclotronul NSCL. Acest studiu ne ajută să înțelegem mai bine fizica nucleară și modul în care protonii și neutronii se leagă între ei în nucleele atomilor.

Nucleele atomice

Atomii sunt structuri complexe, în care intervin atât interacțiunea electromagnetică – care ține electronii în orbite în jurul nucleelor – dar și cea nucleară, care ține împreună neutronii și protonii în nuclee. Interacțiunea nucleară nu este încă înțeleasă extrem de bine, întrucât e foarte complexă, motiv pentru care sunt efectuate experimente în fizica nucleară care au obiectivul de a studia această interacțiune în condiții deosebite. Printre aceste experimente se numără și cele care caracterizează izotopii aceluiași element chimic.

Ce sunt izotopii?

Un element chimic este caracterizat de numărul de protoni (egal cu numărul electronilor) din nucleu. De exemplu hidrogenul are doar un proton, oxigenul 8 protoni iar fierul 26.

Același element chimic însă poate să conțină un număr variabil de neutroni – fiind în acest caz vorba despre izotopi. Numărul neutronilor de obicei depășește numărul protonilor și cu cât mai greu este un nucleu cu atât diferența între numărul neutronilor și a protonilor este mai mare. Neutronii și protonii sunt legați în nuclee de forța nucleară puternică. Această forță (mai corect spus interacțiune) nu este încă extrem de bine cunoscută și studii de fizică nucleară – atât din punct de vedere teoretic cât și experimental – sunt încă necesare. Din acest motiv studiul izotopilor este extrem de interesant întrucât ne ajută să înțelegem interacțiunea dintre protoni și neutroni în diverse condiții.

Nucleul de magneziu

Nucleul de magneziu conține 12 protoni în interior; cum spuneam, numărul neutronilor poate să varieze. În natură izotopul cel mai răspândit este magneziul cu 12 protoni și 12 neutroni în nucleu; mai există și izotopi, în cantitate mai mică, cu 13 sau 14 neutroni în interior. Există însă nuclee de magneziu cu mai puțini neutroni decât protoni? Aceștia pot fi generați în experimente la acceleratoare care accelerează fascicule de ioni (adică atomi cărora le-au fost smulși electroni – toți electronii sau doar o parte). În cadrul acestor experimente se pot genera și studia izotopi precum cel de magneziu cu mai puțini neutroni decât protoni. Recordul până la experimentul de care vreau să vă vorbesc era un nucleu de magneziu cu 12 protoni și 7 neutroni – magneziu-19.

Magneziu-18

Într-un articol publicat recent în Phys. Rev. Letters cercetătorii relatează cum pentru prima dată au reușit să obțină la acceleratorul (un ciclotron) NSCL - National Superconducting Cyclotron Laboratory – din SUA, nuclee de magneziu cu doar 6 neutroni în interior: magneziu-18. Sunt nuclee extrem de instabile – practic se dezintegrează în neon-16, prin emisia de doi protoni, după care, prin emisia de alți doi protoni în nuclee de oxigen-14. Tocmai prin analiza acestor nuclee rezultate din dezintegrare s-a reușit să se obțină informații despre magneziul-18. Acesta a fost produs prin accelerarea unui fascicul de nuclee de magneziu-24 (cu 12 neutroni) la o viteză jumătate din cea a luminii; aceste nuclee s-au ciocnit cu o țintă de beriliu, generând magneziu-20 (cu 8 neutroni).  Nucleele de magneziu-20 s-au ciocnit cu o altă țintă de beriliu (la 30 metri distanță) generând magneziu-18, care – având un timp de viață extrem de scurt – se dezintegra în interiorul țintei.

La ce folosește?

Studiul acestor izotopi, care nu sunt stabili, ne ajută pe de o parte să înțelegem mai bine interacțiunea nucleară. Pe de altă parte, aceste studii sunt extrem de utile și în astrofizica nucleară, care are obiectivul de a studia cum se nasc elementele chimice în stele, în urma proceselor nucleare în inima stelelor sau în momentul morții acestora, precum în supernove. Aceste elemente chimice au dat naștere, de exemplu, planetei noastre și chiar și nouă.

Credit imagine: S. M. Wang / Fudan University and Facility for Rare Isotope Beams

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