In einer überraschenden Wendung der Ereignisse hat ein internationales Wissenschaftlerteam herausgefunden, dass Lead-208 (208PB), der schwerste bekannte „doppelt magische“ Kern, unerwartete Formmerkmale aufweist, die derzeitige Kernmodelle nicht genau vorhersagen.
Doppelte Magie bezieht sich auf Kerne, die vollständige Schalen von Protonen (82) und Neutronen (126) haben, eine Konfiguration, die theoretisch eine perfekt kugelförmige Form bevorzugen.
Der Forschung veröffentlicht In Physische Überprüfungsbriefe Konzentriert sich auf die Verformung und das kollektive Verhalten von Blei-208, insbesondere die spektroskopischen Quadrupolmomente zweier angeregter Zustände.
Das spektroskopische Quadrupolmoment misst, wie sehr ein Kern von einer perfekten Kugel abweicht und die Ladungsverteilung innerhalb des Kerns quantifiziert.
Phys.org sprach mit dem Erstautor der Studie, Dr. Jack Henderson von der University of Surrey. „Wir haben Strahlen von Germanium, Tellurium, Neodym und Erbium mit einer Bleifolie abgefeuert“, erklärt Dr. Henderson.
„Wenn diese Partikel die Folie verstreuen, können sie den Bleikern Energie verleihen und sie möglicherweise in einem angeregten Zustand lassen. Die Wahrscheinlichkeit, dass diese Anregung auftritt, hängt von der Form der Kerne ab. Durch sorgfältiges Messen konnten wir die Verformung von Blei-208 abgeben.“
Magische Zahlen und Kerneformen
Ähnlich wie edele Gase führen stabile elektronische Konfigurationen, magische und doppelt magische Kerne führen zu stabilen Kernen. Diese „magischen Zahlen“ sind 2, 8, 20, 28, 50, 82 und 126.
Für magische Kerne ist die Anzahl der Neutronen oder Protonen gleich der magischen Zahl, während für doppelt magische Kerne beide magische Zahlen sind.
Dies bedeutet, dass die Kernschalen gefüllt sind, was zu einem stabileren Kern führt, was im Fall von doppelt magischen Kernen doppelt so hoch ist. Die Protonen und Neutronen werden gepaart und symmetrisch angeordnet, was zu einem kugelförmigeren Kern führt.
Lead-208 mit 82 Protonen und 126 Neutronen sitzt an der Kreuzung zweier magischer Zahlen, wodurch es doppelt magisch ist und theoretisch prädisponiert ist, um eine kugelförmige Form aufrechtzuerhalten.
Dr. Henderson erklärte, wie wichtig magische Zahlen wichtig sind und sagte: „Magische Zahlen sind unglaublich wichtig, um die Kernphysik sowie verwandte Eigenschaften zu verstehen, weil sie Kerne in ihrer Umgebung bindenderen Energie geben.“
„Dies verzerrt die nukleare Landschaft und ist beispielsweise die Ursache für die Peaks in Häufigkeit bei Schwerelement-Nukleosynthese im sogenannten schnellen Neutronen-Capture-Prozess (R-Prozess).“
Coulomb Anregung
Während die Untersuchung doppelt magischer Kerne nicht neu ist, verwendeten die Forscher modernste experimentelle Geräte, um schlüssigere Messungen vorzunehmen, insbesondere in Bezug auf das Vorzeichen und die Größe der Deformation.
Die Forscher verwendeten Coulomb Anregung, eine Methode, bei der Atomkerne durch elektromagnetische Wechselwirkungen angeregt werden, ohne die kernstarke Kraft einzubeziehen.
„Die Coulomb -Anregung ist außergewöhnlich empfindlich für die Bestimmung der Verformung, da sie nur von der elektromagnetischen Kraft abhängt, die wir seit dem späten 19. Jahrhundert verstanden haben“, erklärte Henderson.
Der experimentelle Aufbau bestand aus vier verschiedenen Strahlen (Germanium, Tellurium, Neodym und Erbium), die auf eine Blei-208-Folie gerichtet waren.
Die Forscher verwendeten das Gretina-Array von deutschen Deutschlanddetektoren mit hoher Purity, um Gammastrahlen zu messen, die emittiert wurden, wenn die angeregten Kerne in ihren Grundzustand zurückkehren, und gleichzeitig verstreute Partikel mit dem Chico2-Detektorarray verfolgt.
Insbesondere konzentrierten sich die Forscher auf zwei angeregte Zustände, um die Deformation, die erste Quadrupolanregung und die erste Oktupolanregung zu untersuchen.
Die Daten wurden unter Verwendung des gosia semiklassischen Coulomb-Anregung Code analysiert.
Herausfordernde Modelle, Auswirkungen und zukünftige Arbeiten
Die Forscher zeigten schlüssig, dass beide angeregten Zustände, die sie untersuchten, große, negative spektroskopische Quadrupolmomente aufweisen, was darauf hinweist, dass der Kern eher eine längliche (prolate) als eine abgeflachte Form bevorzugt.
Im Vergleich zu Vorhersagen aus drei verschiedenen theoretischen Ansätzen-dem Kernhülsenmodell, der Dichtefunktionstheorie und den Hartree-Fock-Berechnungen-konnte nicht das Vorzeichen und die Größe der beobachteten Deformation reproduzieren.
Dr. Henderson sprach sich an die Diskrepanz und sagte: „Die Modelle scheinen unsere Observablen nicht zu reproduzieren, und der Grund ist nicht ganz klar. Eine Möglichkeit besteht darin, dass die verwendeten nuklearen Interaktionen eine Verfeinerung oder ein gewisses Maß an Freiheit erfordern, das wir nicht als wichtig anerkannt hatten.“
Wie bereits erwähnt, spielt Lead-208 eine entscheidende Rolle beim Verständnis, wie schwere Elemente bei kosmischen Ereignissen wie Neutronenstern-Fusionen, dh der R-Prozesse, gebildet werden. Daher erstreckt sich der Einfluss von Kernstudien bis hin zur Sternentwicklung.
Die Forscher planen, diese Herausforderungen zu bewältigen, wobei Dr. Henderson in der zukünftigen Arbeit hinweist: „Eine Möglichkeit besteht darin, dass benachbarte Kerne wie leichtere und schwerere Isotope von Blei dazu beitragen könnten, die fehlende Zutat in der theoretischen Interpretation besser zu verstehen.“
„Ein weiterer potenzieller Weg nach vorne besteht darin, unser Verständnis dafür zu verbessern, wie die nukleare Form vibriert, indem sie nach wichtigen Signaturzuständen suchen, die sich bisher abschließende Identifizierung entzogen haben.“
Weitere Informationen:
J. Henderson et al., Deformation und Kollektivität in doppelt magischer 208pb, Physische Überprüfungsbriefe (2025). Doi: 10.1103/PhysRevlett.134.062502
© 2025 Science X Network