De zwaarste stabiele atoomkern die we kennen blijkt niet bolvormig, zoals lange tijd werd gedacht. Uit nieuwe waarnemingen blijkt dat de lood-208-kern meer wegheeft van een rugbybal.
Een internationale onderzoeksgroep heeft de vorm van lood-208-kernen bepaald door ze te bestoken met zware, geladen deeltjes. De verwachting was dat deze atoomkernen vrijwel perfect bolvormig zouden zijn. Dat is namelijk wat de huidige theoretische modellen voor zware atoomkernen voorspellen. Maar dat is niet wat de natuurkundigen zagen. De kernen van lood-208-deeltjes bleken enigszins langwerpig, waardoor ze op een rugbybal lijken. Dit resultaat is beschreven in het wetenschappelijke vakblad Physical Review Letters.
Dubbelmagisch
Lood is het element met de zwaarste, nog stabiele isotoop: lood-208. Isotopen zijn varianten van hetzelfde element die enkel verschillen in het aantal neutronen in hun atoomkern. Atoomkernen bestaan uit positief geladen protonen en ladingloze neutronen. Hoe zwaarder een atoomkern, hoe meer van deze kerndeeltjes hij bevat. Doordat de positief geladen protonen elkaar afstoten, zijn zwaardere kernen – met meer protonen – vaak minder stabiel dan lichtere kernen. Maar er zijn een paar uitzonderingen.
‘AI is een veredelde rekenmachine’
Met AI spoort Ann Dooms vervalste schilderijen op, maakt ze onleesbare teksten doorzoekbaar en brengt ze de kwaliteit van eicellen in kaart.
Als atoomkernen een ‘magisch’ aantal protonen of neutronen bevatten, zijn ze extra stabiel. Ze verdwijnen dan minder snel door radioactief verval. De zeven magische getallen zijn 2, 8, 20, 28, 50, 82 en 126. Bij die aantallen kunnen de kerndeeltjes zodanig gerangschikt worden, dat de atoomkernen extra stevig in elkaar zitten.
Als zowel het aantal protonen als het aantal neutronen magisch is, dan wordt een atoomkern ‘dubbelmagisch’ genoemd. Deze atoomkernen – zoals helium-4 met twee neutronen en twee protonen – zijn nóg stabieler dan ‘gewone’ magische atoomkernen.
‘Lood-208 is het zwaarste bekende systeem met een magisch aantal protonen én neutronen’, zegt natuurkundige Jack Henderson van de Universiteit van Surrey in het Verenigd Koninkrijk. ‘Daarom was de naïeve verwachting dat deze kernen bijzonder inert zouden zijn, waardoor ze niet vervormd raken en dus vrijwel perfect bolvormig zijn.’
Loodkernen bombarderen
Met een internationale groep collega’s heeft Henderson de vorm van de loodkernen nu in kaart gebracht met behulp van het GRETINA-experiment van het Argonne Nationaal Laboratorium in de Verenigde Staten. Daarin kunnen ze loodkernen bombarderen met zware geladen deeltjes (zogeheten ionen) die versneld zijn tot tien procent van de lichtsnelheid. De botsingen geven de loodkernen extra energie, waardoor ze gammastraling uitzenden.
De gammastraling is een soort vingerafdruk die je iets kan vertellen over de eigenschappen van de loodkernen, waaronder de vorm. Zo konden de onderzoekers afleiden dat de kernen niet bolvormig zijn, maar dat ze een uitgerekte vorm hebben, zoals een rugbybal.
Theorie op de schop
‘We hadden al aanwijzingen uit eerder werk dat de vorm misschien niet precies bolvormig zou zijn’, zegt Henderson. ‘Maar het was verrassend om te zien dat de vervorming zo sterk was. Daarom hebben we een aantal collega’s die werken aan atoomkerntheorieën gevraagd of zij konden helpen om het resultaat te verklaren. Op dit moment is geen van de theoretische berekeningen daartoe in staat.’
Natuurkundigen zijn nu aan het onderzoeken waarom de huidige kernmodellen tekortschieten bij het beschrijven van de vorm van lood-208-kernen. ‘Dit onderzoek heeft nieuw licht geworpen op iets waarvan we dachten dat we het heel goed begrepen. Het heeft ons voor de nieuwe uitdaging gesteld om te begrijpen waarom’, zegt fysicus Paul Stevenson van de Universiteit van Surrey. Volgens Stevenson is een mogelijkheid dat de trillingen van de lood-208-kernen, die ontstaan als ze energie krijgen van de botsingen, minder regelmatig zijn dan verwacht. ‘We zijn nu onze theorieën aan het verfijnen om te bepalen of deze ideeën juist zijn.’
