Ερευνητική ομάδα ανέπτυξε μια νέα πειραματική μέθοδο φασματοσκοπίας βασισμένη σε πολυφορτισμένα ιόντα, η οποία επιτρέπει την ακριβή μέτρηση και την άμεση σύγκκριση του μεγέθους των ατομικών πυρήνων σε βαρέα στοιχεία. Η τεχνική αυτή έλυσε ένα μακροχρόνιο επιστημονικό μυστήριο σχετικά με την κατανομή πρωτονίων και νετρονίων σε στοιχεία των σπανίων γαιών, όπως το λουτήριο και το υττέρβιο.
Η υπέρβαση των περιορισμών της κλασικής φασματοσκοπίας και τα βαρέα στοιχεία
Το μέγεθος ενός πυρήνα αποτελεί κρίσιμο φυσικό μέγεθος για την κατανόηση της δομής του. Μέχρι πρότινος, οι εκτιμήσεις βασίζονταν σε πειράματα σκέδασης ηλεκτρονίων και ατομική φασματοσκοπία ουδέτερων ατόμων, μεθόδους όμως που καθιστούσαν δύσκολη την άμεση σύγκκριση μεταξύ διαφορετικών στοιχείων.
Συγκεκριμένα, για το λουτήριο και το υττέρβιο παρατηρούνταν μια ανώμαλη τάση, όπου ο πυρήνας του λουτηρίου φαινόταν εσφαλμένα μεγαλύτερος από του διπλανού του, αποτελώντας ένα άλυτο πρόβλημα για χρόνια.
Η νέα προσέγγιση, η οποία δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Communications από διεθνή ομάδα επιστημόνων, χρησιμοποίησε πολυφορτισμένα ιόντα υψηλής ενέργειας μέσω της πειραματικής διάταξης Tokyo-EBIT. Επειδή τα δέσμια ηλεκτρόνια στα πολυφορτισμένα ιόντα βρίσκονται πολύ κοντά στον πυρήνα, η μετατόπιση των ενεργειακών επιπέδων λόγω του μεγέθους του πυρήνα ενισχύεται σημαντικά, επιτρέποντας την ακριβή μέτρηση των διαφορών.
Επίλυση του προβλήματος του λουτηρίου
Μετρώντας τα ακραία υπεριώδη φάσματα εκπομπής των ιόντων λουτηρίου και υττερβίου και αξιοποιώντας προηγούμενους υπολογισμούς ατομικής δομής, οι ερευνητές απέδειξαν ότι ο πυρήνας του λουτηρίου είναι τελικά ελαφρώς μικρότερος από εκείνον του υττερβίου. Το αποτέλεσμα αυτό επιβεβαιώνει την ορθότητα των θεωρητικών προβλέψεων για την περιοχή των σπανίων γαιών και ανοίγει τον δρόμο για τη συστηματική μελέτη της δομής και άλλων βαρέων στοιχείων.