Kiek protonų ir neutronų gali sutilpti atomo branduolyje?

Periodinėje cheminių elementų lentelėje dabar yra 118 žinomų atomų rūšių, kurių kiekvienas (arba natūraliai, arba dirbtinai) turi keletą versijų su skirtingais neutronų skaičiais. Tad iš viso priskaičiuojama apie 3 tūkst. skirtingų atomų branduolių. Bėgant metams ir technologijoms vis labiau tobulėjant, fizikai kuria vis sunkesnius ir sunkesnius atomus – vos praėjusiais metais sukurtas 117-asis elementas, o netrukus tikimasi susintetinti ir 119-ąjį. Naujus projektus įgyvendinantys mokslininkai bando prie jau egzistuojančių elementų pridėti ir atimti neutronus ir sukurti neįprastesnius jų variantus, vadinamus izotopais. Tačiau kur yra riba, klausia portalas livescience.com?

Žurnale „Nature“ paskelbtame straipsnyje tyrėjai teigia, kad turėtų būti įmanoma sukurti maždaug 6,9 tūkst. nuklidų (atomų branduolių variantų), plius/minus 500.

„Už 7 tūkst. ribos kalbame apie nuklidus, kurių gyvavimo trukmė gali būti tokia trumpa, kad jie negalės susiformuoti. Sistema tą pačią akimirką suirtų“, – kalbėjo tyrėjų komandos narys Witoldas Nazarewiczius iš Tenesio universiteto, Okridžo nacionalinės laboratorijos ir Varšuvos universiteto.

Net iš šių 7 tūkstančių nuklidų dauguma būtų nestabilūs, gyvuojantys vos mažytę sekundės dalį. Iš 3 tūkst. žinomų nuklidų stabilūs yra vos 288.

Atome galinčių tilpti protonų skaičius yra ribotas, nes kiekvienas protonas turi teigiamą krūvį ir bando išstumti kitus. Net neutronai, kurie krūvio neturi, vis tiek vienas kitą nestipriai stumia. Paslaptinga jėga, vadinama stipriąja sąveika (ji maždaug 100 kartų stipresnė už elektromagnetizmą) yra tai, kas branduolyje sieja protonus ir neutronus.

„Stipriosios jėgos prigimtis ir tiksli forma, ypač sunkesniuosiuose branduoliuose, vis dar yra labai intensyvių eksperimentinių ir teorinių tyrinėjimų objektas“, – LiveScience.com teigė W. Nazarewiczius.

Norėdami atlikti naujus skaičiavimus, W. Nazarewiczius ir jo kolegos, vadovaujami Jocheno Erlerio iš Tenesio universiteto ir Okridžo, tyrinėjo teorinę ribą, rodančią, kiek neutronų gali būti sujungta su protonais, kad susidarytų branduolys (peržengus šią ribą ir pridėjus daugiau neutronų, jie iškris iš branduolio).

Norėdami nužymėti šią ribą, tyrėjai ekstrapoliavo geriausius prieinamus branduolių sąveikos sunkiuosiuose branduoliuose modelius. Įtraukdami įvairius modelius, mokslininkai galėjo sudaryti pirmą patikimą savo prognozių paklaidų diagramą, rodančią, koks yra jų skaičiavimų tikslumas.

„Tai pirmas tyrimas, kuris pateikė paklaidų diagramą ir parodė, kad tai yra geriausias teorinis spėjimas šiose ribose. Negana pateikti tik skaičių. Reikia pateikti ir netikslumo įvertinimą“, – teigė W. Nazarewiczius.

Nauji skaičiavimai nėra tik teorinis dydis – šis skaičius atspindėtų visas galimas rūšis, kurios galėtų būti sukurtos astrofizinių reiškinių metu, pavyzdžiui, per supernovų sprogimus ar neutroninių žvaigždžių susiliejimus.

Šiose ekstremaliose situacijoje sukuriamas neutronų perteklius, o daugumą šių neutronų gali sugauti atomų branduoliai, taip sukurdami naujus nuklidus. Dažniausiai tokiu atveju įvyks procesas, vadinamas beta irimu, kai neutronas, išlaisvindamas elektroną ir mažytę dalelę, vadinamą neutrinu, tampa protonu. Tai leidžia sukurti ne tik dar sunkesnius egzistuojančių elementų izotopus, bet ir naujus, sunkesnius elementus, kurių atome yra daugiau protonų. Iš tiesų dauguma elementų, sunkesnių už geležį ir aptinkamų visatoje, buvo sukurti per supernovų sprogimus.

Mokslininkų atradimus būtų galima pritaikyti praktikoje, kai maždaug 2020 metais Mičigano valstijos universitete pradės veikti įrenginys, vadinamas Retų izotopų srautų centru (angl. Facility for Rare Isotope Beams – FRIB). Šio projekto tikslas – susintetinti daugumą radioaktyvių, silpnai susaistytų branduolių, kurie numanomi, bet praktikoje niekada nematyti.

Mokslininkai tikisi, kad FRIB padės sukurti naujus elementus, kurių branduoliuose bus žymiai daugiau nei 118 protonų, bei naujus jau žinomų elementų izotopus.

„Kiek naujų elementų galime sukurti? Mes to nežinome“, – kalbėjo W. Nazarewiczius.