Polscy naukowcy opisali wymuszone uwolnienie energii ze wzbudzonych jąder atomowych

Po raz pierwszy pokazano eksperymentalnie, że jadra atomowe mogą być wzbudzane poprzez wychwyt elektronu na niezapełnioną powłokę elektronową atomu. Wynik może mieć znaczenie zarówno teoretyczne, jak i praktyczne. O odkryciu donosi najnowszy numer czasopisma Nature. Współautorami pracy są polscy naukowcy.

W najnowszym wydaniu czasopisma 'Nature’ (luty 2018), ukazał się artykuł zatytułowany „Isomer depletion as experimental evidence of nuclear excitation by electron capture”, którego autorzy donoszą o pierwszym eksperymentalnym zaobserwowaniu nowego, przewidywanego wcześniej teoretycznie zjawiska fizycznego, tj. procesu wzbudzenia jądra poprzez wychwyt elektronu do powłoki elektronowej atomu (ang. Nuclear Excitation by Electron Capture, NEEC).

Zjawisko to zostało po raz pierwszy zarejestrowane dla izotopu molibdenu ⁹³Mo. Jądrowy stan izomeryczny molibdenu ^93mMo gromadzi ogromną energię w stosunku do stanu podstawowego, a czas jego połowicznego zaniku wynosi 6,85 godziny. W wyniku zajścia procesu NEEC, izomerycznemu jądru ^93mMo zostaje dostarczona niewielka energia, rzędu 4,85 keV, co powoduje jego przejście do  innego stanu wzbudzonego – tym razem krótkożyciowego, z czasem połowicznego zaniku rzędu nanosekund. Niemal natychmiast ulega on deekscytacji do stanu podstawowego. W ten sposób dochodzi do uwolnienia energii rzędu 2,5 MeV zgromadzonej pierwotnie w izomerze jądrowym ^93mMo, czyli energii 500 razy większej od tej, która została dostarczona.

Eksperyment został przeprowadzony w Stanach Zjednoczonych na liniowym akceleratorze ATLAS w Laboratorium Narodowym w Argonne. Wykorzystano tam rozpędzone, wysokoładunkowe jony (pozbawione od 32 do 36 elektronów)  izomeru ^93mMo, które podczas przechodzenia przez tarczę z węgla chwytały elektrony do niezapełnionych powłok atomowych. Naukowcy spodziewali się, że przy odpowiednio dobranych warunkach, ten wychwyt elektronów spowoduje także pożądane wzbudzenia jąder ^93mMo. Deekscytację stanu wzbudzonego zachodzącą poprzez emisję kwantów gamma o charakterystycznych energiach można już zaobserwować eksperymentalnie. Teoretyczny opis scenariusza zajścia procesu NEEC  został przedstawiony w marcu 2017 roku w pracy zespołu polskich i amerykańskich naukowców. Dwóch z nich, prof. dr hab. Marek Polasik z Wydziału Chemii Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu oraz dr Jacek Rzadkiewicz z Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Świerku, uczestniczyło także w zaprojektowaniu i przeprowadzeniu eksperymentu oraz interpretacji jego wyników i jest współautorami publikacji w Nature.

 „Sukces eksperymentu zależał przede wszystkim od właściwego dobrania energii kinetycznej jonów izomeru ^93mMo oraz ich stanu ładunkowego” – wyjaśnia doktor Rzadkiewicz. „Trzeba było zapewnić optymalne warunki pozwalające na dostarczenie izomerowi idealnie dopasowanej porcji energii.”

„Eksperymentalna identyfikacja procesu NEEC wymagała również koincydencyjnych pomiarów promieniowania gamma dla przejść pomiędzy odpowiednimi stanami jądrowymi izotopu ⁹³Mo” – dodaje profesor Polasik. „Nasi amerykańscy koledzy wykorzystali do tego celu najpotężniejszy na świecie spektrometr Gammasphere, składający się z 92 detektorów germanowych ułożonych w kształcie 16 sferycznych pierścieni.”

Autorami publikacji, oprócz wspomnianych Polaków, są naukowcy stanowiący szesnastoosobowy międzynarodowy zespół z USA, Australii, Włoch i Rosji. O wyjątkowej ważności eksperymentu świadczy fakt, że badacze z całego świata od ponad 40 lat rywalizowali o to, kto jako pierwszy zaobserwuje nowe zjawisko dla jakiegokolwiek izomeru jądrowego. Wynik ma znaczenie nie tylko jako potwierdzenie wiedzy teoretycznej.

„Zaobserwowanie procesów NEEC może mieć duży wpływ na zrozumienie procesów zachodzących we Wszechświecie” – przekonuje profesor Polasik. „W szczególności może nam dostarczyć wiedzy dotyczącej przetrwania stanów izomerycznych różnych pierwiastków w środowisku gwiazd.”

„Badania nad tego typu procesami mogą też być punktem wyjścia dla badań stosowanych” – uzupełnia doktor Rzadkiewicz. „Ich celem byłoby np. opracowanie metody kontrolowanego uwalniania energii zgromadzonej w izomerach jądrowych, co powinno przyczynić się do rozwoju nowych koncepcji  niekonwencjonalnych i ultrawydajnych baterii jądrowych.”

Źródło: NCBJ