La spettroscopia laser contribuisce a rivelare le proprietà nucleari nascoste del fermio
Le prime misurazioni ad alta precisione del nucleo del fermio-255 confermano i modelli nucleari moderni e fanno progredire la ricerca sugli elementi superpesanti
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Per la prima volta, i ricercatori hanno determinato la forma del nucleo dell’actinide fermio-255 e ne hanno misurato la struttura con elevata precisione e risoluzione. Questa scoperta rivoluzionaria, pubblicata su *Physical Review Letters*, conferma i moderni modelli teorici e apre nuove possibilità per la comprensione del comportamento dei nuclei atomici più pesanti.
Lo studio delle forme dei nuclei atomici fornisce informazioni essenziali sulla loro struttura interna. Nei nuclidi molto pesanti, la forma del nucleo è strettamente legata alla loro stabilità rispetto alla fissione spontanea ed è quindi un fattore chiave nella ricerca di elementi superpesanti con vita più lunga. La fissione spontanea deriva dalla forte repulsione tra i numerosi protoni presenti nei nuclei pesanti e, in ultima analisi, limita l’esistenza di elementi oltre l’uranio (elemento 92).
Le ricerche su questi nuclei sono estremamente impegnative a causa della loro disponibilità estremamente limitata nella produzione artificiale. Il loro studio richiede percorsi di produzione dedicati e tecniche sperimentali altamente sensibili. Nel presente lavoro, complessi percorsi di produzione che hanno richiesto diversi anni e il coinvolgimento di più strutture hanno permesso di ottenere campioni contenenti solo pochi miliardi di atomi. Ciò è stato comunque sufficiente per eseguire spettroscopia laser avanzata sul fermio-255, il cui nucleo contiene 100 protoni e 155 neutroni. Analizzando la sottostruttura dei livelli energetici atomici nel guscio elettronico, che è sensibile alle proprietà nucleari, i ricercatori sono riusciti a ricavare informazioni sulla forma del nucleo.
Gli esperimenti sono stati condotti da una collaborazione internazionale di scienziati e ingegneri provenienti da 18 istituzioni, guidata dall’Università Johannes Gutenberg di Magonza (JGU), dall’Istituto Helmholtz di Magonza (HIM), che è una filiale del GSI/FAIR, in Germania, e dall’Università di Göteborg, in Svezia, che è anche l’istituzione di appartenenza della prima autrice, Mitzi Urquiza-González. HÜBNER Photonics GmbH ha contribuito al progetto ospitando e sostenendo Mitzi Urquiza-González durante il suo dottorato di ricerca e mettendo a disposizione la propria competenza nella tecnologia laser avanzata, essenziale per la riuscita dell’esperimento.
Combinando i dati sperimentali sulla struttura iperfine dello spettro ottico con calcoli avanzati di teoria atomica, i ricercatori hanno determinato che il nucleo del fermio-255 è fortemente prolato, simile a un pallone da rugby. Le nuove misurazioni correggono valori non fisici presenti nelle tabelle standard basate su studi precedenti e sono ben descritte dai modelli nucleari all’avanguardia. I risultati sono stati pubblicati in un recente articolo su *Physical Review Letters*.
Struttura del nucleo atomico e interazione con il guscio elettronico
Gli atomi sono costituiti da un nucleo molto piccolo e caricato positivamente, circondato da una nube di elettroni. Gli elettroni più interni si muovono molto vicino al nucleo e sono quindi sensibili alle sue dimensioni, alla sua forma e alle sue proprietà magnetiche. Studiando questi effetti con la spettroscopia laser ad alta precisione, gli scienziati possono acquisire informazioni sulla struttura del nucleo. Ciò avviene dirigendo un raggio laser sugli atomi e regolandone accuratamente il colore (frequenza) per rilevare minuscoli cambiamenti nei livelli energetici degli elettroni tra gli stati quantistici.
La maggior parte dei nuclei atomici non è perfettamente sferica, ma deformata; molti assomigliano infatti a un pallone da rugby. Ciò ha importanti conseguenze sulla loro interazione con il campo elettrico generato dagli elettroni circostanti. Nei nuclei che contengono un numero dispari di neutroni si verifica un secondo effetto elettromagnetico: essi agiscono come minuscoli magneti. Nel complesso, l’interazione di tali nuclei con il loro guscio elettronico porta a una minuscola scissione delle transizioni elettroniche in diversi livelli ravvicinati. Questo fenomeno è noto come interazione iperfine. Tali scissioni possono essere misurate con elevata precisione utilizzando tecniche di spettroscopia laser, che forniscono così informazioni dettagliate sul nucleo.
I primi livelli energetici atomici del fermio sono stati osservati più di 20 anni fa alla JGU. Tuttavia, a causa dei limiti tecnici dell’epoca, non fu possibile risolvere la struttura iperfine, il che portò a dati nucleari incompleti e in parte incoerenti.
Dalla produzione di isotopi alla spettroscopia laser
Il fermio non esiste in natura e deve essere prodotto artificialmente, il che rende le indagini sperimentali particolarmente impegnative. La produzione del fermio-255 è iniziata con irradiazioni neutroniche della durata di mesi su materiale transuranico presso l’High Flux Isotope Reactor dell’Oak Ridge National Laboratory (USA), che hanno portato alla formazione dell’einsteinio-254. Dopo un primo impiego in esperimenti negli Stati Uniti, il materiale è stato trasportato a Magonza (Germania) per una prima lavorazione, prima di essere inviato all’Istituto Laue-Langevin in Francia per essere sottoposto a un’ulteriore irradiazione con neutroni al fine di produrre l’einsteinio-255. Questo isotopo, che decade in fermio-255, è stato infine riportato a Magonza.
Con il suo tempo di dimezzamento di 40 giorni, l’einsteinio-255 funge da fonte continua di fermio-255 per diverse settimane. Regolari separazioni chimiche presso la JGU hanno permesso la preparazione di diversi campioni contenenti da alcune decine di milioni fino a un miliardo di atomi per gli esperimenti di spettroscopia.
Le misurazioni di spettroscopia laser ad alta sensibilità sono state effettuate presso il separatore RISIKO della JGU. Nell’esperimento, i campioni di fermio sono stati riscaldati a circa 1.000 gradi Celsius, provocando l’evaporazione degli atomi. Questi atomi sono stati poi irradiati con luce laser e l’eccitazione risonante ha portato alla ionizzazione, consentendo il rilevamento selettivo. Il team è riuscito a risolvere la struttura iperfine di due transizioni ottiche, grazie a sistemi laser Ti:zaffiro realizzati su misura e a una vasta esperienza nella gestione di quantità di campioni estremamente ridotte.
Calcoli teorici in accordo con i risultati sperimentali
Per interpretare gli spettri sperimentali, sono stati effettuati calcoli di teoria atomica specifici presso l’Università Jagellonica di Cracovia, in Polonia, e presso l’HIM. Questi calcoli hanno confermato la forma fortemente deformata del nucleo e hanno fornito un momento dipolare magnetico che non concorda con i valori precedentemente tabulati, correggendoli. I risultati sono in eccellente accordo con le previsioni della moderna teoria nucleare sviluppate presso il CEA Arpajon (Francia), l’IP2I di Lione (Francia) e l’Università Tecnica di Darmstadt (Germania).
L’esperimento colma un’importante lacuna nella nostra conoscenza delle proprietà nucleari degli elementi più pesanti e dimostra che è possibile effettuare misurazioni di precisione anche con quantità estremamente ridotte di materiale.
Fornendo informazioni accurate sulla forma nucleare e sulle proprietà magnetiche in sistemi così pesanti, i risultati migliorano direttamente i modelli di fissione nucleare, contribuendo a prevedere la stabilità di elementi superpesanti ancora sconosciuti e guidando le future scoperte ai limiti della tavola periodica.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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