Weronika Kostrzanowska: Historia atomu pisze się na nowo

Japońscy naukowcy wywrócili do góry nogami wiedzę na jego temat

Zazwyczaj gdy słyszymy pojęcie atom, kojarzymy je z ugruntowaną definicją jego budowy. Wiemy, że zbudowany jest z jądra atomowego, w skład którego wchodzą protony i neutrony, a wokół niego poruszają się elektrony. Ładunek dodatni jądra atomowego determinowany jest liczbą protonów, który równoważy ujemny ładunek elektronów. Wiemy też, że trwałość jądra atomowego zależy od stosunku neutronów do protonów. Jeżeli wartość tego stosunku przekracza 1,6, mamy do czynienia z nietrwałymi jądrami atomowymi, które ulegają reakcji samorzutnego rozpadu i są promieniotwórcze ze względu na emisję energii pod postacią promieniowania podczas rozpadów. Poza tym wiadomo, że pojemność jądra atomowego jest ograniczona i sumaryczna liczba nukleonów w jądrze dla poszczególnych atomów jest ściśle określona.

Co wiemy, a czego nie

Dlaczego te podstawowe informacje są tak ważne? Odpowiedź jest prosta: właściwości jądra atomowego są głównym przyczynkowym natury materii, która nas otacza i z której wszyscy jesteśmy zbudowani. Gdyby natura atomu była inna, świat, w którym żyjemy, byłby zupełnie inny. My również bylibyśmy inni i zasady funkcjonowania, cała biochemia świata organizmów żywych byłaby zasadniczo odmienna od tej, którą znamy i – jak nam się wydaje – rozumiemy.

Otóż to – tylko nam się wydaje. Wszak głównej i pierwszej przyczyny istnienia wszystkiego nie rozumiemy. Im bardziej zagłębiamy się w świat atomowy, tym więcej pojawia się pytań niż odpowiedzi. Aż w końcu dochodzimy do momentu, gdy pada następujące: na jakim etapie tak naprawdę to wszystko się komplikuje i czy ten poziom komplikacji ma jakiś szczyt, po zdobyciu którego będziemy już naprawdę wszystko rozumieć? Zapewne na odpowiedź na to pytanie będziemy musieli jeszcze bardzo długo poczekać…

naukowcy z Japonii sprawdzili, czy możliwe jest przeładowanie jądra atomu wapnia neutronami.

Wydawać by się mogło, że skoro znamy stosunek protonów do neutronów w jądrze, przy czym jądro atomowe jest trwałe, oraz wiemy, że atomy pierwiastków są scharakteryzowane dzięki liczbie nukleonów w ich jądrach, to nie można tu już niczego odkrywczego dokonać. Nic bardziej mylnego. Naukowcy z Japonii postanowili ten schemat wywrócić do góry nogami. Przeprowadzili oni badania na jądrach atomowych wapnia. Najpowszechniejszy jego izotop zawiera w jądrze 20 protonów i 20 neutronów. Największą liczbą neutronów, jaką wykryto w jednym z licznych izotopów tego pierwiastka, to 28. Z kolei naukowcy z Japonii sprawdzili, czy możliwe jest przeładowanie jądra atomu wapnia neutronami. I wykazali, że wszystko da się zrobić, nawet załadować to jądra dwa razy więcej neutronów – czyli udało im się wcisnąć aż 40 neutronów do jądra atomu wapnia! Odkrycie miało miejsce w japońskim laboratorium RIKEN, w Fabryce Izotopów Radioaktywnych. Aby otrzymać dwa jądra atomu wapnia, w skład którego wchodzi 40 neutronów, badacze użyli 200 kwadrylionów jąder cynku, które bombardowały jądra wapnia.

Inny rozkład sił

To odkrycie otwiera przed fizyka subatomową nowe perspektywy. Jednym z podstawowych zagadnień, jakie będzie musiało ulec modyfikacji, jest zagadnienie sił jądrowych. Właśnie dzięki nim nukleony w jądrze są utrzymywane w jednym punkcie, ale dotychczas znana natura tych sił nie przewidywała aż tak dużego stosunku poszczególnych nukleonów w jądrze. Teorie, którymi dotychczas posługiwali się naukowcy, wykluczały istnienie wapnia o tak ogromnej liczbie neutronów. Zatem uczeni zmuszeni są obecnie do posługiwania się obliczeniami z teorii, które do dziś nie wchodziły do instrumentariusza. Według niestandardowych teorii możliwe jest otrzymanie wapnia, który posiadałby w swojej budowie nawet 70 neutronów.

Lepsze poznanie zasad rządzących jądrami atomowymi może nas znacząco przybliżyć do poznania astrofizyki gwiazd neutronowych.

Natura cząstek fundamentalnych oraz atomów determinuje świat makroskopowy, w tym naturę największych i jednych z najmasywniejszych obiektów w naszym Wszechświecie, czyli gwiazd neutronowych. Lepsze poznanie zasad rządzących jądrami atomowymi może nas znacząco przybliżyć do poznania astrofizyki tych obiektów. Dla wyjaśnienia: gwiazdy neutronowe są ciałami niebieskimi o masie minimum ośmiu mas Słońca, powstałymi w wyniku wybuchu supernowej lub kolapsu białego karła. Materia tych gwiazd jest niezwykle gęsta: łyżeczka masy gwiazdy neutronowej waży 6 mld ton. Przez procesy, które prowadzą do powstania gwiazdy neutronowej, panuje na nich gigantycznie wysokie ciśnienie, w wyniku którego dystans między elektronami a nukleonami maleje, w konsekwencji elektrony łączą się z protonami, dając neutrony.

Uczeni chcą otrzymać jeszcze cięższe jądra wapnia, by lepiej poznać zasady rządzące siłami jądrowymi oraz astrofizyką gwiazd. Badania nabiorą rozmachu dopiero w 2022 roku, kiedy zostanie skończona budowa wartego 730 milionów dolarów akceleratora rzadkich wiązek izotopowych. Dzięki niemu będziemy mogli zaobserwować najbardziej egzotyczne odmiany jąder atomowych, co z kolei stanowić będzie ogromny krok do poznania natury jąder atomowych, cząstek subatomowych oraz obiektów astronomicznych.