Într-un articol recent publicat în Phys. Rev. Letters se studiază un nucleu extrem de exotic: azotul – 9, compus din 7 protoni și doar 2 neutroni. Studiul acestui nucleu ne ajută să înțelegem mai bine interacțiunea nucleară și elementele chimice care se găsesc în jurul nostru și din care suntem compuși.

Structura atomică

Atomii au o structură extrem de complicată; un nucleu compus din protoni și neutroni, legați între ei prin interacțiunea nucleară, înconjurat de electroni, aflați în orbită și menținuți în jurul nucleului de interacțiunea electromagnetică. Atomii la rândul lor dau naștere moleculelor, precum molecula apei, cu doi atomi de hidrogen și unul de oxigen, dar și molecule, precum cea a ADN-ului, extrem de complexe, compuse din multe mii de atomi.

Nucleele atomilor

Studiul nucleelor atomilor este unul dintre obiectivele fizicii nucleare. În ciuda faptului că aceste nuclee sunt studiate de zeci de ani, atât din punct de vedere teoretic cât și experimental, sunt încă multe întrebările care așteaptă un răspuns. Nucleele sunt deci alcătuite din protoni și neutroni; la rândul lor aceștia sunt compuși din quarci: protonii din doi quarci up și unul down, neutronii dintr-un quark up și doi quarci down. Modul în care se organizează în nuclee protonii și neutronii nu este încă pe deplin înțeles. Mai multe teorii și modele ale fizicii nucleare, care au la baza inclusiv mecanica cuantică, explică structura nucleelor, însă nu perfect. Știm de exemplu că un element chimic poate conține în nucleu un număr diferit de neutroni; adică pentru un număr fixat de protoni, ceea ce definește elementul chimic, numărul de neutroni poate fi variabil. Este vorba de așa-numiții izotopi. Mulți izotopi nu sunt stabili, și se dezintegrează în nuclee diferite, cu o viață medie care poate fi extrem de scurtă sau foarte lungă. Studiul acestor elemente instabile ne ajută să înțelegem mai bine teoria forței nucleare.

Azotul-9

Într-un experiment recent realizat la National Superconducting Cyclotron Laboratory, la Michigan State University, în interacțiuni nucleare a fost observat pentru prima dată un izotop extrem de instabil al azotului, și anume azotul-9. Rezultatele au fost descrise într-un articol publicat în Phys. Rev. Letters. Azotul are 7 protoni în nucleu. Izotopul stabil al azotului are un număr de neutroni egal cu cel al protonilor, adică tot 7 (există și o cantitate extrem de mică azot-15, cu 8 neutroni în nucleu – la rândul lui un izotop stabil). Cercetătorii au reușit să genereze un iztop cu doar doi neutroni în nucleu, adică azotul-9. Acest nucleu este extrem de instabil și se dezintegrează emițând protoni. Practic se consideră că azotul-9 este un nucleu compus dintr-un nucleu mai mic, cu doi protoni și doi neutroni (o așa-numită particulă alpha) înconjurat de cinci protoni. Aceștia sunt emiși în dezintegrări succesive, mai întâi un proton, după care două dezintegrări cu emisia a doi protoni.  Procesul de dezintegrare este studiat tocmai pentru a se înțelege mai bine forța nucleară – cum sunt alcătuite nucleele și cum se leagă împreună protonii și neutronii în interiorul acestora.

Sisteme cuantice descrise și nucleele atomice

Acest studiu ne ajută să înțelegem limitele stabilității nucleelor – adică cît de mare poate fi dezechilibrul între numărul de protoni și de neutroni care alcătuiesc un nucleu. Nucleul studiat, azotul-9, este la limită. Studiul teoretic al acestui sistem și al stărilor intermediare prin care trece în procesul de dezintegrare ne oferă informații asupra sistemelor cuantice deschise, a sistemelor la limita stabilității. Este unul dintre sistemele nucleare extrem de exotice studiate până în prezent, și oferă informații extrem de importante, informații care ajută în verificarea teoriei interacțiunii nucleare, cea care stă inclusiv la baza cunoașterii elementelor chimice din care este compusă lumea noastră și chiar și noi, atât ca izotopi stabili cât și ca izotopi exotici, extrem de instabili, care pot fi studiați doar în experimente precum cel realizat la Michigan State University. De asemenea studiul este important și pentru a se înțelege de ce anumiți izotopi sunt extrem de abundenți în Natură iar alții foarte rari.

Credit imagine: Washington University în St. Louis; Articolul: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.172501

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