Οι επιστήμονες έχουν επαναχρησιμοποιήσει ένα όργανο που αρχικά σχεδιάστηκε για τη μελέτη γιγάντων ουράνιων αντικειμένων στον Κόσμο για τη μελέτη του κόσμου σε απείρως μικρότερη κλίμακα. Με αυτό το όργανο κατάφεραν να εξερευνήσουν την καρδιά του ατόμου.
Η ομάδα ήθελε να κατανοήσει τις αλλαγές κβαντικής κλίμακας που συμβαίνουν σε ασταθή άτομα και συνειδητοποίησε ότι θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν ένα υπερσύγχρονο πολόμετρο ακτίνων γάμμα. Γνωστή ως κάμερα Compton, αυτή η συσκευή μπορεί να μετρήσει την πόλωση των κυμάτων φωτός υψηλής ενέργειας. Με άλλα λόγια: Μπορεί να αναλυθεί προς ποια κατεύθυνση κατευθύνεται τέτοιο φως υψηλής ενέργειας.
Το μόνο πράγμα είναι ότι αυτό το όργανο κατασκευάστηκε τεχνικά για διαστημική αστρονομία, όχι ατομικές μελέτες. Στην πραγματικότητα, οι επιστήμονες το κατασκεύασαν επειδή ήθελαν να το τοποθετήσουν στον δορυφόρο Hitomi για να παρατηρούν κοσμικές διεργασίες υψηλής ενέργειας. Αλλά η κάμερα έχει πλέον αποδείξει την ευελιξία της. Ανιχνεύοντας την πόλωση των ακτίνων γάμμα που εκπέμπονται από ατομικούς πυρήνες και όχι από μακρινά γαλαξιακά αντικείμενα, ήταν δυνατό να αποκαλυφθεί η εσωτερική δομή του ατομικού πυρήνα καθώς και τυχόν αλλαγές που μπορεί να υφίστανται αυτοί οι πυρήνες.
Σχετίζεται με: Τα ατομικά ρολόγια στη Γη θα μπορούσαν να αποκαλύψουν μυστικά για τη σκοτεινή ύλη σε όλο το σύμπαν
Compton Chemistry 101
Οι κάμερες Compton χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό της κατεύθυνσης και της ενέργειας των ακτίνων γάμμα χρησιμοποιώντας ένα φαινόμενο που ονομάζεται «σκέδαση Compton».
Η σκέδαση Compton συμβαίνει όταν ένα σωματίδιο φωτός υψηλής ενέργειας, ή «φωτόνιο», αναπηδά από ένα φορτισμένο σωματίδιο, συνήθως ένα ηλεκτρόνιο. Αυτή η αλληλεπίδραση αναγκάζει τα φωτόνια που χτυπούν τα ηλεκτρόνια να «σκεδαστούν», που σημαίνει ότι μεταφέρουν μέρος της ενέργειας και της ορμής τους στα σωματίδια που μόλις τα χτύπησαν. Αυτά τα ηλεκτρόνια, με τη σειρά τους, μπορούν να υποχωρήσουν και ουσιαστικά να αποσπαστούν από το άτομο στο οποίο ήταν προηγουμένως συνδεδεμένα. Αυτή η διαδικασία μπορεί να βοηθήσει να αποκαλυφθεί κάτι για το εμπλεκόμενο άτομο.
«Η ερευνητική ομάδα έδειξε ότι αυτή η κάμερα Compton χρησιμεύει ως αποτελεσματικό πολόμετρο για την πυρηνική φασματοσκοπία, παρέχοντας γνώσεις για την πυρηνική δομή», είπε στο Space.com ο Tadayuki Takahashi, επικεφαλής ερευνητής και επιστήμονας στο Kavli Institute for Physics and Mathematics of the Universe. «Αρχικά αναπτύχθηκε για διαστημικές παρατηρήσεις, αυτό το όργανο έχει πλέον αποδειχθεί σε άλλους τομείς ως εργαλείο απάντησης σε περίπλοκα επιστημονικά ερωτήματα».
Η καρδιά ενός ατόμου
Τα άτομα μπορούν να θεωρηθούν ότι αποτελούνται από «κελύφη». Κάθε κέλυφος είναι γεμάτο με ποικίλες αναλογίες αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων που επιπλέουν γύρω. Το πιο εξωτερικό κέλυφος ονομάζεται φλοιό σθένους και τα ηλεκτρόνια μέσα στο φλοιό σθένους ονομάζονται ηλεκτρόνια σθένους. Αυτά τα ατομικά κελύφη περιβάλλουν έναν κεντρικό πυρήνα που αποτελείται από θετικά φορτισμένα πρωτόνια και ηλεκτρικά ουδέτερα νετρόνια.
Ο αριθμός των πρωτονίων σε έναν ατομικό πυρήνα καθορίζει ποιο στοιχείο αντιπροσωπεύει αυτό το άτομο.
Για παράδειγμα, το υδρογόνο είναι το ελαφρύτερο στοιχείο στο σύμπαν και έχει πάντα ένα πρωτόνιο στον πυρήνα του. Στο άλλο άκρο του περιοδικού πίνακα βρίσκεται το ουράνιο, ένα από τα βαρύτερα φυσικά στοιχεία, του οποίου ο πυρήνας περιέχει πάντα 92 πρωτόνια. Ο αριθμός των Νετρόνια Το μέγεθος ενός ατομικού πυρήνα δεν καθορίζει τι στοιχείο είναι ένα άτομο, επομένως μπορεί να ποικίλλει. Για παράδειγμα, το υδρογόνο μπορεί να μην έχει νετρόνια, ένα νετρόνιο στην περίπτωση του δευτερίου ή δύο νετρόνια στην περίπτωση του τριτίου. Ωστόσο, αυτά τα άτομα με διαφορετικά βάρη ονομάζονται «ισότοπα». Μερικά ισότοπα είναι σταθερά, άλλα όχι.
Ενώ είναι γνωστό ότι υπάρχουν 270 σταθεροί ατομικοί πυρήνες στη φύση, ο αριθμός των γνωστών ισοτόπων στοιχείων αυξάνεται σε έως και 3.000 όταν περιλαμβάνονται ασταθείς ατομικοί πυρήνες.
Είναι ενδιαφέρον ότι οι επιστήμονες έχουν επίσης πρόσφατα παρατηρήσει φαινόμενα που σχετίζονται με ασταθείς ατομικούς πυρήνες που δεν παρατηρούνται κοντά σε σταθερούς ατομικούς πυρήνες. Αυτά περιλαμβάνουν ανωμαλίες στα επίπεδα ενέργειας των ηλεκτρονίων και την εξαφάνιση και την εμφάνιση των λεγόμενων «μαγικών αριθμών». Οι μαγικοί αριθμοί αναφέρονται στην ποσότητα των ηλεκτρονίων που θα χρειαζόταν για να γεμίσουν τα ενεργειακά κελύφη γύρω από έναν ατομικό πυρήνα. Συμβατικά, αυτοί οι αριθμοί είναι 2, 8, 20, 28, 50, 82 και 126.
Ωστόσο, μέχρι σήμερα, οι συμβατικές μέθοδοι δεν ήταν επαρκείς για τη μελέτη των αλλαγών στην πυρηνική δομή που σχετίζονται με αυτά τα φαινόμενα. Αυτό οφείλεται στη δυσκολία εξισορρόπησης της ευαισθησίας και της αποτελεσματικότητας ανίχνευσης σε όργανα για την ανάλυση των ιδιοτήτων των ατομικών μεταπτώσεων.
Εδώ βρίσκεται το σημαντικό μέρος για την έρευνα της ομάδας.
Ένας ασταθής πυρήνας προσπαθεί να επιτύχει σταθερότητα εκτοξεύοντας ένα πρωτόνιο ή ένα νετρόνιο. Αυτό ονομάζεται ραδιενεργή διάσπαση και είναι μια διαδικασία κατά την οποία η ενέργεια απομακρύνεται από το άτομο με τη μορφή φωτονίων. Οι ακτίνες γάμμα είναι ένας τύπος φωτονίων – και η κάμερα Compton μπορεί να ανιχνεύσει αυτές τις ακτίνες γάμμα! Ίσως η κατανόηση της μετάβασης μεταξύ αστάθειας και σταθερότητας μπορεί να βοηθήσει στην αποκάλυψη μερικών από αυτά τα περίεργα ατομικά φαινόμενα που έχουν παρατηρήσει οι επιστήμονες.
Ως εκ τούτου, αυτοί οι ερευνητές πίστευαν ότι η κάμερα Compton, η οποία περιέχει τον λεγόμενο αισθητήρα εικόνας ημιαγωγού τελλουρίου καδμίου (CdTe), θα μπορούσε να είναι ιδανική για τη μέτρηση της πόλωσης των ακτίνων γάμμα από ασταθείς πυρήνες. Αυτό, με τη σειρά του, οφείλεται στο ότι ένας τέτοιος αισθητήρας παρέχει υψηλή απόδοση ανίχνευσης και ακριβή ακρίβεια στον προσδιορισμό της θέσης των ακτίνων γάμμα (αν και αρχικά προοριζόταν για σήματα ακτίνων γάμμα στο διάστημα).
Μέσω της πόλωσης φωτονίων φορτισμένων σωματιδίων, το μη πολωμένο φως μετατρέπεται σε πολωμένο φως, με τον προσανατολισμό της πόλωσης να προκύπτει από τη γωνία σκέδασης. Η κάμερα Compton μπορεί να μετρήσει με ακρίβεια αυτή τη γωνία σκέδασης και την πόλωση αυτών των ακτίνων γάμμα, η οποία παρέχει πληροφορίες σχετικά με τις ιδιότητες των σωματιδίων μέσα στο άτομο, όπως την τιμή των κβαντομηχανικών ιδιοτήτων που ονομάζονται «σπιν» και «ισοτιμία».
Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν πειράματα με επιταχυντές στο ερευνητικό ινστιτούτο RIKEN για να πραγματοποιήσουν μια σειρά δοκιμών πυρηνικής φασματοσκοπίας στις οποίες ένα φιλμ πυρήνων σιδήρου βομβαρδίστηκε με δέσμη πρωτονίων. Αυτό έκανε τα ηλεκτρόνια στο λεπτό φιλμ σιδήρου να φτάσουν σε διεγερμένη κατάσταση και να εκπέμπουν ακτίνες γάμμα καθώς επέστρεφαν στη βασική τους κατάσταση. Η ομάδα έλεγξε τεχνητά τόσο τη θέση όσο και την ένταση αυτών των εκπομπών. Αυτό επέτρεψε τη λεπτομερή ανάλυση των γεγονότων σκέδασης και την απόδοση μιας εξαιρετικά ευαίσθητης μέτρησης πόλωσης για τη δοκιμή της απόδοσης της κάμερας Compton.
«Η πολυεπίπεδη κάμερα CdTe Compton έχει πολλές ιδιότητες που την καθιστούν κατάλληλη για αυτήν την έρευνα. Πρώτον, η αποτελεσματικότητα ανίχνευσης του CdTe είναι σημαντική», είπε ο Takahashi. «Τυπικά, οι ακτίνες γάμμα που εκπέμπονται από τους πυρήνες έχουν ενέργειες της τάξης των μεγαηλεκτρονιοβολτ (MeV), αν και η αποτελεσματικότητα ανίχνευσης για τα πολωσίμετρα ακτίνων γάμμα τείνει να είναι χαμηλή. Ωστόσο, τα 20 στρώματα του CdTe αυξάνουν σημαντικά την αποτελεσματικότητα της ανίχνευσής τους.” ακτίνες γάμμα.”
Ο επιστήμονας από το Ινστιτούτο Kavli για τη Φυσική και τα Μαθηματικά του Σύμπαντος πρόσθεσε ότι ο αισθητήρας CdTe που αναπτύχθηκε από την ομάδα του επιτυγχάνει επίσης υψηλή ενεργειακή ανάλυση για τις ακτίνες γάμμα στην περιοχή υπο-MeV.
«Τελικά, επιτυγχάνει ανάλυση θέσης μερικών χιλιοστών εντός της αποτελεσματικής εμβέλειας του ανιχνευτή, επιτρέποντάς του να «βλέπει» λεπτομερή μοτίβα σκέδασης Compton», πρόσθεσε ο Takahashi. «Αυτά τα μοτίβα αντανακλούν τις ιδιότητες της γραμμικής πόλωσης του φωτός, συμπεριλαμβανομένων των ακτίνων γάμμα».
Οι εκπεμπόμενες ακτίνες γάμμα μετρήθηκαν και έδειξαν μια κορυφαία δομή και η ομάδα μπόρεσε να προσδιορίσει τη γωνία με την οποία τα φωτόνια διασκορπίστηκαν. Η ομάδα περίμενε ότι τα αποτελέσματά τους θα μπορούσαν να είναι κρίσιμα για τη μελέτη της δομής των σπάνιων ραδιενεργών πυρήνων, αλλά ακόμη και ο επικεφαλής ερευνητής εξεπλάγη με το πόσο επιτυχημένη ήταν αυτή η δοκιμή.
«Η ερευνητική ομάδα, που αποτελείται από ειδικούς στην αστρονομική παρατήρηση και την πυρηνική φυσική, υπέθεσε σε κάποιο βαθμό ότι η πολικομετρία ακτίνων γάμμα θα ήταν εφικτή για πειράματα φασματοσκοπίας πυρηνικών ακτίνων γάμμα», είπε ο Takahashi. «Ωστόσο, η απόδοση και τα αποτελέσματα ξεπέρασαν τις προσδοκίες».
ΠΑΡΟΜΟΙΕΣ ΑΝΑΡΤΗΣΕΙΣ:
— Άλμπερτ Αϊνστάιν: βιογραφία, θεωρίες και αποσπάσματα
– 10 καταπληκτικά πράγματα που πρέπει να γνωρίζετε για την κβαντική φυσική
— Η γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν
Αυτά τα πειράματα θα μπορούσαν να είναι η κορυφή του παγόβουνου όταν πρόκειται για τη χρήση διαστημικών οργάνων για τη μελέτη των ατομικών πυρήνων.
«Στην αστρονομική παρατήρηση, υπάρχουν διαφορετικοί τύποι καμερών Compton και θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν με παρόμοιο τρόπο για τη μέτρηση της γραμμικής πόλωσης των φωτονίων», κατέληξε ο Takahashi.
Τα αποτελέσματα της έρευνας της ομάδας δημοσιεύονται στο περιοδικό Scientific Reports.