Φυσικοί από το Πανεπιστήμιο του Τενεσί στο Νόξβιλ και οι συνεργάτες τους πραγματοποίησαν κρίσιμες μετρήσεις του χρόνου ζωής και της ενέργειας διάσπασης του τελλουρίου-104 (Te-104).
Αυτό αποτελεί ένα σημαντικό βήμα για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο διασπώνται εκατοντάδες πυρήνες, απαντώντας σε ένα ερώτημα που παραμένει ανοιχτό εδώ και έναν αιώνα. Τα αποτελέσματα της έρευνας δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Nature.
Ένα σωματίδιο αποφασισμένο να δραπετεύσει
Ο καθηγητής Robert Grzywacz ηγήθηκε της πειραματικής ομάδας στις εγκαταστάσεις Radioactive Isotope Beam Factory (RIBF) στο ινστιτούτο RIKEN της Ιαπωνίας.
Όπως εξήγησε, τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν προβλέψεις δεκαετιών ότι το τελλούριο-104 αποτελεί μια ξεχωριστή περίπτωση στη διάσπαση άλφα.
Πρόκειται για μια διαδικασία κατά την οποία ένα σωματίδιο άλφα – ένα ισχυρά δεμένο σύστημα δύο πρωτονίων και δύο νετρονίων – διέρχεται μέσω του φαινομένου σήραγγας από το φράγμα που περιβάλλει τον πυρήνα στον οποίο βρίσκεται.
Αν και η ραδιενέργεια άλφα ανακαλύφθηκε πριν από περισσότερα από 125 χρόνια, η προέλευση του σωματιδίου παραμένει μυστήριο, ιδιαίτερα σε πυρήνες με μεγάλο αριθμό πρωτονίων και νετρονίων.
«Η διάσπαση άλφα είναι ο παλαιότερος τρόπος διάσπασης», δήλωσε ο Grzywacz. «Το μεγάλο ερώτημα είναι πώς σχηματίζεται το σωματίδιο άλφα σε βαριείς πυρήνες, οι οποίοι είναι γνωστό ότι έχουν ομοιόμορφη κατανομή ύλης. Πρέπει να υπάρχει ένας μηχανισμός που προκαλεί τοπικό σχηματισμό “συσσωματώματος” ή “σμήνους”».
Αυτή η συσσωμάτωση συνδέεται με τη δομή του πυρήνα. Η διαδικασία, που ονομάζεται προ-σχηματισμός, αποτελεί το σήμα ότι ένα σωματίδιο άλφα ετοιμάζεται να αποκολληθεί.
«Μόλις σχηματιστεί», εξήγησε ο Grzywacz, «το σωματίδιο άλφα θα διαφύγει από τον πυρήνα».
Ο ίδιος πρόσθεσε ότι αυτή η εκπομπή είναι μια καλά κατανοητή κβαντομηχανική διαδικασία σήραγγας που εξαρτάται από τη διαθέσιμη ενέργεια. Από τη δεκαετία του 1960, οι επιστήμονες πίστευαν ότι ένας συγκεκριμένος πυρήνας – το τελλούριο-104 – παρουσιάζει μια ιδιαίτερη ενίσχυση που θα μπορούσε να εξηγήσει καλύτερα πώς συμβαίνει αυτό.
Ακολουθώντας την αλυσίδα διάσπασης
Αν και το τελλούριο ανήκει στα μεταλλοειδή του περιοδικού πίνακα και βρίσκεται στη φύση, το ισότοπο τελλούριο-104 πρέπει να συντεθεί εργαστηριακά. Η δημιουργία αυτών των πυρήνων αποτελεί πρόκληση για πολλούς λόγους. Πρώτον, ζουν μόνο για λίγα νανοδευτερόλεπτα. Δεύτερον, προκύπτουν από τη διάσπαση του ξένου-108, το οποίο είναι εξαιρετικά δύσκολο να παραχθεί από μόνο του.
Στο συγκεκριμένο πείραμα, η ομάδα ξεπέρασε αυτά τα σημαντικά εμπόδια χάρη στις τεχνολογικές προόδους στο RIBF. Χρησιμοποιώντας τέσσερα συζευγμένα κυκλοτρόνια, επιτάχυναν μια δέσμη ξένου-124 πάνω σε έναν στόχο βηρυλλίου. Η σύγκρουση παρήγαγε θραύσματα ξένου-108, η διάσπαση του οποίου τροφοδοτεί το τελλούριο-104, το οποίο με τη σειρά του ακολουθείται στην αλυσίδα διάσπασης από το κασσίτερο-100.
«Μετρήσαμε τον χρόνο ζωής και την ενέργεια αυτής της διάσπασης και διαπιστώσαμε ότι η πιθανότητα προ-σχηματισμού είναι πολύ μεγαλύτερη από ό,τι αναμενόταν με βάση τις προβλέψεις που χρησιμοποιούσαν τη διαθέσιμη πειραματική γνώση», ανέφερε ο Grzywacz. «Διαπιστώσαμε επίσης ότι το τελλούριο-104 είναι ο μικρότερος σε διάρκεια ζωής γνωστός πυρήνας με ραδιενέργεια σωματιδίων άλφα, έχοντας χρόνο ημιζωής 7.2 νανοδευτερόλεπτα. Αυτός ο πολύ σύντομος χρόνος ημιζωής, διορθωμένος για την ενέργεια διάσπασης, δίνει έναν ασυνήθιστα υψηλό προ-σχηματισμό σωματιδίων άλφα. Είναι πιθανό να αποτελέσει μια μοναδική περίπτωση ανάμεσα σε όλους τους πυρήνες».
Ο ίδιος συμπλήρωσε ότι η μόνη άλλη παρόμοια περίπτωση είναι η καλά μελετημένη διάσπαση του πολωνίου-212 σε μόλυβδο-208, η οποία όμως έχει πιθανότητα προ-σχηματισμού 10 φορές μικρότερη από εκείνη του τελλουρίου-104.
Ο Grzywacz σημείωσε ότι πριν από μισό αιώνα, οι επιστήμονες φαντάζονταν το τελλούριο-104 να έχει μια σύντομη ύπαρξη ως μόριο αποτελούμενο από κασσίτερο-100 και ένα σωματίδιο άλφα. Το μόριο «κασσίτερο-100» είναι ένας διπλά μαγικός πυρήνας, που σημαίνει ότι είναι ισχυρά δεμένος, όπως ακριβώς και ένα σωματίδιο άλφα. Ο ίδιος και η ερευνητική ομάδα αποδίδουν τον υψηλό προ-σχηματισμό του τελλουρίου-104 στη σχέση του με τον διπλά μαγικό κασσίτερο, γεγονός που δημιουργεί ευνοϊκές συνθήκες για τη δημιουργία ενός σωματιδίου άλφα.