|
Exotic Nuclei: Per ardua ad astra. Atomic nuclei, the tiny objects at the hearts of atoms, make up 99.8 % of the matter in our Universe. It is the collisions between nuclei which fuel the stars and lead to the creation of chemical elements. If we are to understand our Universe and the World we live in we must understand this dominant form of matter. To do this we must study reactions between them. Until now we have only been able to use stable nuclei for this purpose. Soon we will be able to use a wide range of unstable, radioactive nuclei. Some of the exciting prospects this opens up are discussed here. Els nuclis dels àtoms són entitats petites, de tan sols 10-14 m de diàmetre i amb un pes de només 10-26 kg, però són el cor dels àtoms i molècules que formen part de tu, de mi i de tot el que coneixem a l’univers. Constitueixen el 99,8% de tota la matèria en el nostre món diari i és l’energia alliberada, quan se’n fusionen dos d’ells la que alimenta els estels i els fa lluir. Els elements químics que constitueixen el nostre cos i tot allò que ens envolta són produïts per mitjà de reaccions nuclears que tenen lloc al cor dels estels, exceptuant el cas de l’hidrogen i l’heli que van ser produïts en el Big Bang que va tenir lloc quan es va crear l’univers. Per tant, sembla que tant els primers passos de la nostra creació com la calor provenint del sol que ens escalfa, ens va nodrint i fa possible la vida a la Terra són el resultat de les reaccions nuclears. És per tot això que és important que es conega com són els nuclis i com es comporten. Els àtoms i les seues combinacions anomenades molècules que constitueixen el nostre món material tenen un petit però massiu nucli al seu cor. Els nuclis són constituïts per protons i neutrons (denominats tots ells conjuntament nucleons per ser constituents del nucli) i els àtoms es mantenen lligats per l’atracció entre els protons del nucli, carregats elèctricament amb càrrega positiva i un nombre igual d’electrons carregats negativament en òrbita al seu voltant. Com podem estudiar aquests objectes diminuts que estan lligats de forma tan extraordinàriament forta? La resposta és equivalent a disparar una “bala nuclear” contra el nucli per desfer-lo en trossos. Per fer això, es requereix una “pistola” (un accelerador de partícules) que pot tenir prop de 100 m de llargària. El projectil és, per descomptat, un altre nucli que accelerem fins que arribe a tenir una gran velocitat. Una volta hem fet blanc en el nucli que fa de diana, hem d’analitzar tots els trossos –partícules, raigs gamma, raigs X, etc.– que resulten de la col·lisió. Mesurarem les masses, les velocitats, etc., i tractarem de resoldre el trencaclosques i, així, saber com són els nuclis i com es comporten. Portem fent això 70 anys més o menys, des que creàrem el primer accelerador i ara tenim màquines funcionant arreu del món i que ens permeten accelerar tot tipus de nuclis que existeixen en la Terra fins a velocitats molt per damunt de les necessàries per a la física nuclear. Què hem après utilitzant aquestes màquines i com hem aplicat el coneixement adquirit? Hem après que els nuclis canvien si els escalfem o si els fem girar com si es tractara d’una baldufa a gran velocitat o si canviem el nombre de neutrons (N) i de protons (Z) que contenen. Una manifestació molt senzilla d’aquest últim punt es mostra en la figura 1, on els nuclis estables que podem trobar a la Terra són representats per quadrats negres i es mostra el nombre de protons i neutrons que contenen. Aquests estan al mig d’un mar de nuclis inestables radioactius. Vegem que només un nombre limitat de combinacions de protons i neutrons produeixen nuclis estables. Evidentment, només podem utilitzar aquest petit grup de nuclis estables com les “bales nuclears” de què parlàvem adés. El que hem après al llarg d’aquests anys ens ha permès respondre aquestes preguntes per què lluen els estels? Què escalfa l’interior de la Terra? Com i on es formen els elements que la constitueixen? Quina edat té? Responent aquestes preguntes, en la nostra recerca hem anat més enllà del que imaginaven els alquimistes de l’edat mitjana, que somniaven de crear or i argent a partir de metalls menys valuosos. Amb reaccions nuclears hem creat àtoms de qualsevol material basant-nos en altres, però, per descomptat, en quantitats molt petites i moltes vegades tractant-se de nuclis radioactius. Encara que no siga exactament el que els alquimistes pensaven, sens dubte és un gran avenç per a la humanitat. L’activitat de recerca, motivada fonamentalment pel desig d’entendre millor els fonaments i la naturalesa de la matèria, ha produït de forma inesperada, com sol ocórrer amb tot progrés científic, nombroses i variades aplicacions. Hem creat eines que s’utilitzen en altres camps científics, hem expandit el progrés de la ciència cap a altres horitzons, com la física de partícules, i, de moltes formes, hem transformat la nostra vida diària. Entre els seus “plançons” es troben les fonts intenses de neutrons basades en reactors nuclears o reaccions d’espal·lació i la llum intensa i brillant i els raigs X de les instal·lacions de radiació de sincrotó que ens permeten estudiar tant els materials d’ús comú com la matèria viva. També podem utilitzar els acceleradors per a implantar àtoms en materials, manipulant-los i modificant-ne les propietats com és el cas del silici i el seu paper fonamental en el desenvolupament de la revolució de la informàtica i les comunicacions. És també possible utilitzar els acceleradors en la datació del carboni per a determinar l’antiguitat d’allò que en un cert període de la història va ser matèria viva. La llista és interminable. La medicina s’ha beneficiat dels avenços en física nuclear tant en la diagnosi de les malalties com en alguns tipus de teràpies. De mitjana, una sisena part dels ciutadans europeus necessitarà teràpia amb radiació en algun moment de la seua vida. Les reaccions nuclears alimenten els reactors nuclears que produeixen el 30% de la potència elèctrica a Europa. Com que no emeten gasos contaminants, no contribueixen a l’efecte hivernacle. Avui dia, l’ús dels reactors nuclears ve impedit per la dificultat de processar els residus radioactius. Si aquest problema es poguera resoldre de manera satisfactòria, per a la societat seria urgent construir més reactors nuclears i així evitar la pol·lució atmosfèrica. Per cert, és ben possible que siga de nou la física nuclear la que done la solució a aquest problema, utilitzant reaccions nuclears per a transformar els residus radioactius de vida mitjana i llarga en residus radioactius de vida més curta i per tant, que es puguen emmagatzemar de manera més segura per a la població (ja existeixen projectes per a construir acceleradors que puguen complir aquesta funció). Figura 1: Aquesta figura mostra els nuclis estables i de vida mitjana molt llarga, representats pels quadrats de color negre, en funció del nombre de protons (Z) i neutrons (N). Un gran nombre (~6-7000) d’altres espècies pot existir dins les línies marcades com Bp=0 i Bn=0, però són espècies radioactives i es desintegren, quan són creades, cap a un nucli estable. Les línies horitzontal i vertical indiquen els valors de Z i N que estan associats amb una estabilitat extra (vegeu el text). Tornant a la figura 1, vegem que els 283 nuclis estables són una petita proporció dels aproximadament 7.000 nuclis representats a la figura. Els altres nuclis són radioactius o inestables. Això el que vol dir és que, si són creats, es desintegren directament o indirectament en nuclis estables. Com que vivim en un planeta fred, no hi ha prou energia perquè es creen de manera natural aquests anomenats “nuclis exòtics”. Hem de recórrer, de nou, als nostres acceleradors i crear-los artificialment. En altres parts de l’univers, dins de les olles de pressió que són els estels, formen part d’un procés continu de creació i desintegració. En les espectaculars explosions d’estels anomenades supernoves, els nostres telescopis ens asseguren que es formen espècies més exòtiques encara que apareixen uns segons i després es desintegren deixant a l’espai residus d’elements pesants que estaran presents després en la condensació del gas i del pols que dóna pas a la formació de nous estels. Si existeix algun tipus d’escepticisme al voltant de la veracitat d’aquestes idees, hi ha algunes evidències directes que demostren que aquest tipus de coses passen a l’espai, com podem veure en la figura 2. Per a entendre què és el que nosaltres veiem amb els nostres telescopis hem d’estudiar els nuclis exòtics, però aquesta no és l’única raó per a fer-ho. Hi ha moltes qüestions en física nuclear que requereixen aquest esforç també. Per exemple, com canvia el comportament del nucli a mesura que canviem el balanç entre neutrons i protons? Com estan distribuïts el protons i neutrons a l’interior d’un nucli exòtic? Quina grandària i forma tenen? Quins són els límits de l’existència del nucli? Com podem respondre totes aquestes qüestions? La impressionant llista d’assoliments que hem contat fins ara prové de l’ús de les 283 espècies estables de la figura 1, però la recerca continua. En els últims anys ha estat evident que podem crear i accelerar nuclis exòtics; en la figura 1 es veu que tenim prop de 7.000 candidats per ser accelerats. Donada aquesta quantitat enorme de nuclis susceptibles de ser utilitzats com a projectils en reaccions nuclears, no cal molta imaginació per a entreveure que això pot transformar la física nuclear i obrir expectatives de somni en altres àrees de la ciència. La qüestió que hauria excitat els alquimistes i que encara fascina els químics és: quants elements podem crear? En altres paraules: quin és l’últim element que podem crear? Durant molt de temps es pensava que no es podien crear elements més enllà de l’urani (Z=92), l’últim element que té una vida mitjana comparable amb l’edat de la Terra. La raó era molt clara; cada protó té una càrrega elèctrica positiva que repel·leix els altres. A mesura que afegim protons al nucli, aquesta força destructiva creix ràpidament i, fins i tot, si creem un altre nucli amb més protons, el que esperem és la fissió d’aquest en dos nuclis amb menys protons de forma espontània. Però la nostra simple idea ignora una cosa que hem après en el nostre estudi dels nuclis; que hi ha certs valors del nombre de protons Z i del nombre de neutrons N, anomenats “números màgics”, que afegeixen estabilitat al nucli. Si aquest efecte (figura 3) és prou important, pot retardar la fissió i, malgrat el nucli, es desintegrarà alpha i viurà durant un període de temps relativament llarg. Si això funciona, hauria d’haver-hi elements “superpesants” amb ZŽ114 que serien gairebé estables i tindrien propietats químiques poc usuals. A la part superior de la figura 3 veiem el tipus de reacció realitzada en el GSI per a la producció dels elements fins a Z=112. Es fan xocar dos nuclis molt pesants de la forma més “suau” possible. En un nombre extraordinàriament petit d’ocasions, com a resultat d’aquesta col-lisió, es produeix la fusió d’aquests nuclis, amb l’emissió d’un neutró i quedant com a residu l’element superpesant. Aleshores, es desintegra per emissió alpha, i tenint en compte que aquest tipus de desintegració és molt característica de l’espècie nuclear, serveix com a eina per a la seua identificació. Aquesta era la situació fa 18 mesos enrere. En aquell moment, es va anunciar per part d’un grup d’investigadors al laboratori de Berckley, a Califòrnia, la síntesi d’alguns àtoms de l’element Z=118, i a Dubna (Rússia) recentment s’anunciava la síntesi de diverses espècies d’elements entre Z=112 i Z=116. Cap d’aquests últims descobriments ha estat confirmat, però evidentment afegeix “llenya al foc” de la nostra qüestió. Totes aquestes evidències suggereixen la idea que la nostra suposició que existeixen elements superpesants amb vida “llarga” és correcta, però utilitzant com a projectils i com a dianes els nuclis estables, malgrat que arribem al valor correcte de Z, encara estarem lluny del valor desitjat de N. Aleshores, com podem abastar aquests nuclis superpesants? La resposta està en la utilització de feixos de nuclis exòtics amb molts neutrons extra com a projectils. Si som capaços de crear un feix intens de 94Kr, que té 8 neutrons més del normal, possiblement abastarem un d’aquests nuclis superpesants situat al cor del que s’ha vingut a anomenar “illa de nuclis superpesants” en les nostres reaccions. Figura 3: La figura mostra el resultat del càlcul de l’energia total (massa) del nuclis pesants en funció de Z i N. Les regions que tenen forma de deprsesió o vall (de color més fosc en la figura) corresponen a nuclis particularment estables. Una altra qüestió molt semblant a l’anterior és: quants neutrons podem afegir a un nombre fix de protons sense que el nucli “proteste” i els deixe anar immediatament? La natura sembla dir: no hi ha límit! Amb els nostres telescopis veiem objectes que són descrits com una immensa bola de neutrons, un nucli gegant format només per neutrons. Però aquests objectes estan lligats per la força de la gravetat i la seua existència no respon a la nostra qüestió. En els nuclis lligats que hi ha a la Terra, pensem que hi ha un límit, però no tenim ni idea d’on és, ni quin és el nucli més lleuger amb el màxim nombre possible de neutrons. En el cas de Z=50 (l’element estany) les estimacions varien fins a més de 30 neutrons. L’única forma d’esbrinar-ho és tractar de crear-los i cercar on és el límit. Per sota d’aquest límit esperem trobar nuclis molt rics en neutrons, amb estructures poc habituals com corfes o halos de neutrons allunyats d’un cor de protons i neutrons dens. Si produïm feixos de nuclis exòtics de bona qualitat, serem capaços de començar a donar resposta a moltes d’aquestes qüestions i aplicar-les a la medicina clínica, els estudis de materials i a la conservació del medi ambient, així com a la física nuclear i a l’astrofísica. Tota la nostra experiència passada suggereix, no obstant això, que noves i més radicals idees vindran com a conseqüència de la disponibilitat dels feixos radiactius. Arreu del món, els científics i els enginyers treballen intensament per dissenyar i construir acceleradors que ens permetran fer tot això. Som al començament d’un nou ressorgiment de la física nuclear. Si som capaços d’entendre els nuclis exòtics com hem entès els 283 nuclis que hem trobat a la Terra haurem fet un gran pas en la comprensió del nostre món. Qui sap quantes sorpreses ens durem amb els nuclis exòtics. W. Gelletly. School of Physics and Chemistry, University of Surrey, U.K. |
«Els elements químics
Figura 2: Ací veiem una imatge dels raigs X emesos pels residus remanents en expansió resultants d’una vella supernova (la gran explosió que marca la fi d’un estel gegant), situada a la constel·lació de Casiopea. Quan apuntem en eixa direcció un detector de raigs gamma muntat en un satèl·lit posat en òrbita a l’espai, veiem el senyal que es mostra en la figura. Aquest senyal té exactament l’energia d’un intens raig gamma emès en la desintegració radioactiva del 44Ti, un element relativament pesant, format en la fase final de la vida de l’esmentat estel.
«La qüestió que hauria excitat els alquimistes i que encara fascina els químics és: quants elements podem crear?
«Si som capaços d’entendre els nuclis exòtics com hem entès els 283 nuclis que hem trobat a la Terra haurem fet un gran pas en la comprensió del nostre món»
|
