Mimo że zjawisko promieniowania alfa odkryto ponad 100 lat temu, do dziś nie wiedzieliśmy dokładnie, jak taka cząstka α powstaje.
Rozpad alfa zachodzi w jądrach atomowych, które są zbyt ciężkie albo mają niewłaściwe proporcje protonów i neutronów. Mówimy wtedy, że są niestabilne, czyli promieniotwórcze.
Podczas takiego rozpadu z jądra zostaje wyrzucona cząstka α. To układ złożony z dwóch protonów i dwóch neutronów. Ponieważ jądro traci dwa protony, atom zmienia się w atom innego pierwiastka. Właśnie ten proces nazywamy rozpadem alfa.
Co ciekawe, ten rodzaj promieniowania zatrzyma nawet kartka papieru. Dla porównania promieniowanie gamma, kojarzone choćby z awarią elektrowni jądrowej w Czarnobylu, jest znacznie bardziej przenikliwe. Nie wystarczy tu kartka ani cienka osłona. Do jego osłabienia potrzeba grubych warstw betonu, ołowiu albo wody.
Naukowcy, aby zbadać naturę rozpadu alfa, potrzebowali „idealnego” układu do obserwacji tego zjawiska. Szukali takiego izotopu, którego rozpad α prowadzi do powstania silnie związanego, niemal sferycznego jądra. Problem w tym, że taki rozpad zachodzi tak szybko, iż przez dekady istnienie tego układu można było tylko przewidywać.
Międzynarodowy zespół fizyków, w którym uczestniczyły dr hab. Agnieszka Korgul, prof. UW, dr hab. Chiara Mazzocchi, prof. UW, oraz mgr Aleksandra Skruch z Zakładu Fizyki Jądrowej Uniwersytetu Warszawskiego, uchwycił egzotyczny izotop telluru, czyli tellur-104. To właśnie on może pomóc odpowiedzieć na fundamentalne pytanie: jak przed emisją formuje się cząstka alfa?
Eksperymentem kierowali prof. dr hab. Robert Grzywacz (główny spokesperson) i dr Krzysztof Rykaczewski (współ-spokesperson) z Oak Ridge National Laboratory, a analizę danych wykonał dr Ian Cox z Uniwersytetu Tennessee. W pracach uczestniczył również Aleksander Augustyn, doktorant w Narodowym Centrum Badań Jądrowych.
Uchwycić to, co nieuchwytne
O trwałości danego jądra atomowego decyduje bezpośrednio liczba protonów i neutronów. Obsadzają one ściśle określone powłoki, swojego rodzaju szuflady jądrowe. Kiedy ich liczba osiąga jedną z tzw. liczb magicznych: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, oznacza to, że cała szuflada została zapełniona i zamknięta. To decyduje o trwałości struktury.
Cyna (100Sn), z 50 protonami i 50 neutronami, jest jądrem podwójnie magicznym, a więc wyjątkowo stabilnym i silnie związanym. Powstaje, kiedy pierwiastek leżący dwa miejsca dalej w układzie okresowym – 104Te „wyrzuca” z siebie cząstkę alfa, która jest niczym innym jak zlepkiem dwóch protonów i dwóch neutronów.
– Układ 104Te jest dla fizyków wyjątkowy właśnie dlatego, że można go opisać w sposób niemal elementarny: jako sztywny, sferyczny rdzeń (100Sn) z jedną cząstką alfa związaną z jego powierzchnią. W większości ciężkich jąder α-promieniotwórczych cząstka alfa nie istnieje przed emisją jako gotowy obiekt – musi najpierw „skrystalizować się” ze względnie jednorodnej „chmury” protonów i neutronów. W przypadku 104Te proces ten zachodzi wyjątkowo łatwo dzięki szczególnej budowie jądra, dlatego stanowi ono idealny obiekt do badania mechanizmu powstawania cząstek alfa – wyjaśnia prof. Korgul.
Właśnie dlatego zmierzenie rozpadu 104Te pozwala wyizolować sam mechanizm preformacji (czyli formowania się cząstek alfa), bez zakłóceń ze strony deformacji jądra czy skomplikowanej struktury rdzenia.
– Po pierwsze, 100Sn jest jądrem podwójnie magicznym – zarówno liczba protonów (50), jak i neutronów (50) trafia dokładnie w domknięte powłoki jądrowe. Takie jądro jest wyjątkowo stabilne i sferyczne, nie ulega deformacjom, które komplikowałyby obraz. Po drugie, 104Te posiada tę samą liczbę protonów, co neutronów. Oznacza to, że te cząstki zajmują „te same” orbitale protonowe i neutronowe – a to sprzyja tworzeniu par proton–neutron, z których może powstać cząstka alfa. Efektem jest gwałtownie zwiększona preformacja: cząstka alfa niejako „czeka gotowa” na powierzchni jądra, zamiast musieć się formować od podstaw – dodaje badaczka.
Nanosekundowy sprinter
Do śledzenia przebiegu tego procesu międzynarodowy zespół badaczy wykorzystał aparaturę badawczą RIKEN w Japonii jedną z najbardziej zaawansowanych instalacji badań jąder egzotycznych na świecie.
Naukowcy przeprowadzili eksperyment, w którym wiązkę jonów (jąder odartych z elektronów) ksenonu (124Xe) rozpędzili do prędkości bliskiej światła i uderzyli nią w tarczę. W zderzeniu z jądra ksenonu-124 oderwano 16 neutronów. W ten sposób powstał ksenon-108.
– Reakcja rozpadu, w której powstały jądra 104Te, wymaga rozpędzenia wiązki pierwotnej do bardzo dużych, bliskich prędkości światła. Aby to osiągnąć wykorzystano kilka akceleratorów, w tym największy na świecie cyklotron nadprzewodzący – dodaje prof. Korgul.
I tutaj zachodzi najciekawszy proces, a nawet dwa. Ksenon–108 uległ rozpadowi alfa do telluru–104, który błyskawicznie zmienił się w cynę-100.
Podczas trwającego 124 godziny eksperymentu zarejestrowano jedynie 12 jąder 108Xe, a 9 z nich powiązano z rozpadem 104Te, co – mimo niewielkiej liczby zdarzeń – wystarczyło do wyznaczenia czasu połowicznego rozpadu.
Badacze zaobserwowali sygnały odpowiadające rejestracji cząstek alfa, jednak dwa kolejne rozpady następowały tak szybko, że dochodziło do nakładania się sygnałów. Z pomocą przyszedł odpowiedni algorytm komputerowy, który był w stanie pomóc rozróżnić te dwa sygnały.
Przeprowadzenie takiego pomiaru wymagało wykorzystania ultraszybkich detektorów. Drugim, równie istotnym elementem, było wykorzystanie cyfrowego systemu zbierania danych o bardzo dużej częstości próbkowania wynoszącej 500 MHz (megaherców).
Wyniki były jednoznaczne: wyznaczony czas rozpadu 104Te wyniósł 7,2 nanosekundy, natomiast poprzedzającego go rozpadu 108Xe – 75 mikrosekund. Stanowiło to bezpośredni dowód rozpadu alfa izotopu telluru.
Teoretycy mieli rację, ale nie wszyscy
Wynik eksperymentu pomógł rozstrzygnąć, który opis narodzin cząstki alfa najlepiej pasuje do rzeczywistości. Z pomiarów wynika, że cząstka α nie jest gotowym „klockiem” ukrytym głęboko w jądrze atomowym.
Raczej formuje się tuż przed emisją, bliżej jego powierzchni, tam gdzie protony i neutrony mogą połączyć się w wyjątkowo trwały układ dwóch protonów i dwóch neutronów.
To ważne, bo do tej pory tellur-104 był dla fizyków bardziej przewidywaniem niż obiektem, który dało się naprawdę uchwycić w eksperymencie. Teraz jego rozpad stał się faktem empirycznym.
Choć mówimy o jądrze istniejącym przez zaledwie kilka miliardowych części sekundy, wynik pomaga lepiej opisywać procesy, w których powstają ciężkie pierwiastki.
Każdy taki pomiar przybliża fizyków do zrozumienia, jak w ogóle powstaje cząstka alfa w jądrze atomowym – pytania, które od odkrycia promieniotwórczości alfa czekało na odpowiedź ponad 100 lat.
– Badania były od wielu lat prowadzone w grupie warszawskiej i było zaangażowanych wielu fizyków z dawnego Zakładu Spektroskopii Jądrowej, który dziś funkcjonuje jako Zakład Fizyki Jądrowej. Jego założycielem i mentorem był prof. Żylicz – dodaje prof. Agnieszka Korgul.
