Fizikai Szemle 2007/11. - Krasznahorkay Attila: Egzotikus atommagok

EGZOTIKUS ATOMMAGOK

Krasznahorkay Attila
ATOMKI, Debrecen

Az atommagok felfedezése után hamarosan kiderült, hogy azok tulajdonságainak (méret, kötési energia, forgási és rezgési gerjesztett állapotok) leírásakor az atommagot egy apró, elektromosan töltött folyadékcseppnek tekinthetjük. Az atommag alkotórészeit, a protonokat és a neutronokat összetartó kölcsönhatás távolságfüggése valóban nagyon hasonlít a vízmolekulákat összetartó erők távolságfüggéséhez. Mindkettő rövid hatótávolságú az általa összetartott objektum méretéhez képest. Az alkotórészek hatását csak azok közvetlen szomszédai érzékelik. Ezzel szemben az elektromos töltések között ható Coulomb-kölcsönhatás hosszú hatótávolságú, hatása kiterjed az egész folyadékcseppre vagy atommagra. Az atommagnak ez a folyadékcseppmodellje nagyon hasznosnak bizonyult a maghasadás legfőbb jellemzőinek értelmezésében. A maghasadás jelenségét 1938-ban fedezte fel Hahn és Strassmann, a fenti cseppmodellel történő értelmezést pedig már a következő évben publikálta Bohr és Wheeler.

Ha azonban a maghasadás jellemzőit pontosabban értelmezni akarjuk, még ma is zavarba kerülünk. A hasadási termékek tömegeloszlását, a hasadás dinamikáját a jelenleg rendelkezésünkre álló magmodellek egyike sem tudja pontosan értelmezni.

„A maghasadás egy alapvetően sokrészecskés jelenség, amelynek leírása jelenleg is az egyik legnagyobb kihívást jelenti a magelmélet számára, de már látszik a fény az alagút végén: a modern mikroszkopikus sokrészecskés elmélet összekapcsolása a nagy teljesítményű számítástechnikával” - állapította meg W. Nazarewicz, korunk egyik vezető elméleti fizikusa egy nemrég tartott konferencián.

A maghasadás folyamán különböző erősen megnyúlt magállapotok, egzotikus magalakok metastabil állapotokként hosszabb ideig is fennmaradhatnak. Ezek kísérleti vizsgálatában Debrecenben jelentős eredményeket értünk el. Írásomban elsősorban ezekről szeretnék beszámolni. Ezek az eredmények hozzásegíthetnek bennünket a maghasadás folyamatának pontosabb megértéséhez, de hasznos információkkal szolgálnak a 4. generációs atomerőművek tervezéséhez is.

1997 óta Debrecenben már három alkalommal rendeztünk nemzetközi konferenciát az egzotikus magállapotok vizsgálatáról. Konferenciáinkon magmolekulákról, piramis alakú atommagokról, neutrongazdag atommagoknál talált neutronglóriás, neutronbőrös atommagokról és más különös jelenségekről is beszámoltak a résztvevők. Az utóbbi évtizedben használatba vett radioaktív nyalábok kétségkívül nagyban hozzájárultak a magfizikai kutatások fejlődéséhez, de ebben az írásban arra szeretnék rámutatni, hogy a maghasadás vizsgálata továbbra is olyan témakör, amelyben még a Magyarországon található kisenergiás gyorsítókkal is lehetett, és, szerintem, a jövőben is lehet érdekes új eredményeket elérni. Természetesen tudomásunk van a maghasadás vizsgálatára alkalmas legújabb eszközökről, radioaktív nyalábokról és nagyteljesítményű, nagyon gyors (fs) lézerekről, és tervezünk is vizsgálatokat a felhasználásukkal. Írásomban erre ki fogok térni.

Az atommaghasadás

Az atommaghasadás felfedezése óriási lendületet adott a magfizikai kutatásoknak. Az atommag cseppmodelljével a maghasadás jellemzőinek értelmezése igen jól sikerült. Lise Meitner, a maghasadás egyik felfedezője, a folyamatot az élő sejtek osztódásához, az élet keletkezéséhez hasonlította. Az 1. ábra a maghasadás folyamatának szimulációját mutatja.

A folyadékcseppmodell értelmében az atommagok hasadását egy elektromosan töltött folyadékcsepp széthasadásaként képzelhetjük el. Elektromos töltés nélkül egy folyadékcsepp a felületi feszültségből származó energia minimalizálására törekszik. Ezért a lehető legkisebb felületű, azaz gömb alakú egy súlytalan folyadékcsepp. Az atommagokat azonban, a protonok töltése miatt, töltött folyadékcseppeknek kell elképzelni. Az egyforma töltések taszítása miatt energetikailag kedvezőbbé válik a csepp számára, ha deformálódik, és így a töltések egymástól távolabb kerülhetnek. Így érthető, hogy a nagy rendszámú atommagok alakja általában eltér a gömbtől.

Ha az atommagnak, például egy neutron hozzáadásával további energiát adunk, akkor az egyre deformáltabbá válik, és végül széthasad, amint az az 1. ábrán is látható. A két hasadvány közötti erős taszítóerő nagy sebességre gyorsítja fel a hasadványokat. A hasadványok lefékeződésekor keletkező hőt hasznosítják az atomreaktorokban.

Az atommagok széthasadásakor előforduló egzotikus magalakokról sajnos nem tudunk az 1. ábrán látható szimulációhoz hasonló szép „fényképfelvételeket” készíteni, mivel az atommag túlságosan kicsi, és a maghasadás túlságosan gyorsan történik.

Lehetséges azonban, hogy a teljes széthasadás előtt az atommag még valamiféle erősen deformált, átmenetileg stabil, úgynevezett metastabil állapotba kerül, és csak utána hasad szét. Nehéz atommagok hasadásakor valóban megfigyelték, hogy bizonyos esetekben a maghasadás nem történt meg közvetlenül a magreakció lezajlása után, hanem csak néhány ns-mal vagy néhány ms-mal később [1]. Ezeket az állapotokat hasadási izomer állapotoknak nevezték el. Elméleti értelmezésüket röviddel a felfedezésük után Strutinsky adta meg [2]. Ezeknek az állapotoknak már sikerült kísérletileg is meghatározni az alakját.

Az atommagok alakjának kísérleti meghatározása

Egy deformált atommag, a molekulákhoz hasonlóan, foroghat is. Ezeknek a forgó kvantummechanikai rendszereknek, a perdületüktől függően, csak jól meghatározott gerjesztett állapotai lehetségesek: E = ħ²/(2θ) J (J+1), ahol E a gerjesztett állapot energiáját, ħ a Planck-állandót, θ az adott molekula vagy atommag tehetetlenségi nyomatékát, J pedig a perdületét jelöli. A fenti gerjesztett állapotok (forgási sávok) mérésével meghatározhatjuk az atommagok tehetetlenségi nyomatékát. Merev ellipszoidnak feltételezve az atommagot annak tehetetlenségi nyomatéka a kis (b) és nagytengely (a) segítségével, a mechanikában ismert módon, kifejezhető. Adott tehetetlenségi nyomatékhoz így adott magalak rendelhető.

A 2. ábrán egy tipikus transzurán atommag alapállapotához tartozó forgási állapotok (az alapállapoti forgási sáv), illetve a szuperdeformált (SD) és a hiperdeformált (HD) állapotok forgási sávjai láthatók. HDállapotok esetén az elméleti előrejelzések értelmében az atommag már nem tükörszimmetrikus: páratlan perdületű állapotokkal is ki kell egészíteni a forgási sávot. Az atommagok alakjának meghatározásához tehát meg kell mérnünk a fenti gerjesztett állapotok energiáit.

A ²⁴⁰Pu esetén nagyon gondos magspektroszkópiai vizsgálatokkal sikerült az izomer állapotra épülő forgási sávot is meghatározni [3]. A sáv tehetetlenségi nyomatékából az következett, hogy valóban erősen deformált, 2:1 tengelyarányú, szuperdeformált állapotról van szó.

A 3. ábrán a szaggatott vonal a ²⁴⁰Pu hasadó atommag cseppmodell alapján várható potenciális energiáját (hasadási potenciált) tünteti fel a magtengelyek arányának függvényében. Ebből lehet megállapítani, hogy egy atommag milyen alaknál éri el a minimális energiájú (stabil, vagy metastabil) állapotát. Ezzel a potenciállal nem lehet értelmezni a hasadási izomer állapotot. Annak értelmezéséhez a nukleonok között ható magerők pontosabb figyelembevétele is szükségessé vált.

A pontosabb számítások eredményét az 3. ábrán folytonos vonal tünteti fel. Az itt mutatkozó második minimum (völgy) folytán ez már alkalmas a hasadási izomer állapot értelmezésére. A folyadékcseppmodellel végzett legutóbbi sokparaméteres számítások eredményeit, a megfelelő magalakokkal illusztrálva a Nature folyóirat is közzétette [4].

Kísérletileg a hasadási potenciál magasságát és szélességét a hasadási valószínűségeknek a gerjesztési energia függvényében történő mérésével határozhatjuk meg. A potenciálgát maximumánál kisebb gerjesztési energia esetén a maghasadás csak alagúteffektussal történhet meg, ezért annak a valószínűsége az energia csökkenésével exponenciálisan csökken.

A hasadási valószínűséget jó energiafelbontással mérve, abban rezonanciaállapotokat is megfigyeltek. A rezonanciákat a II. völgybeli gerjesztett állapotokon keresztül történő úgynevezett rezonáns alagúteffektus segítségével sikerült értelmezni. A hasadási valószínűségben megfigyelt forgási sávok is arra utaltak, hogy a ²⁴⁰Pu atommag hasadása II. völgybeli szuperdeformált állapotokon keresztül történt.

Hiperdeformált állapotok kimutatása Debrecenben

Napjainkban a magfizikusok lázasan keresik a hiperdeformált állapotokat. A keresés kibocsátott γ-fotonok észleléséből áll. Különböző anyagokból készült, néhány mikrométer vastag céltárgyakat nagyenergiájú nehéz ionnal bombáznak, és az ennek hatására kibocsátott milliónyi γ-fotonból igyekeznek azokat összeválogatni, amelyek ugyanazon magtól származnak. A lövedék hatására felpörgő mag meg is nyúlhat, és erről az egymás után kibocsátott több tucatnyi γ-kvantum energiasorozata árulkodik.

Ezen állapotok vizsgálatára nagy hatásfokú és jó energiafelbontású, ugyanakkor nagyon költséges spektrométereket építettek mind Európában (EUROBALL, 4. ábra), mind az Amerikai Egyesült Államokban (GAMMASPHERE). Sebesen pörgő magok hiperdeformált állapotainak megfigyeléséről először 1993-ban számoltak be, azonban az eredményeket 1995-ben visszavonták.

Elméleti számítások arra is utaltak, hogy nehéz hasadó magokban gyors pörgetés nélkül is kialakulhatnak „körte alakú” hiperdeformált állapotok [5], amelyek 100 és 132-es tömegszám környéki darabokra szeretnek hasadni. Az 5. ábra az ²³⁶U atommagra számított hasadási potenciált ábrázolja. A számítások értelmében a hasadási potenciálnak ez esetben nemcsak 2. völgye, hanem 3. völgye is várható volt.

A Magyar Tudományos Akadémia debreceni Atommagkutató Intézetének ciklotron laboratóriumába 10 éve egy Hollandiából kapott mágneses spektrométert telepítettünk. Ez repülő ionokat tud energia szerint pontosan szétválogatni. Holland (NWO) és magyar (OTKA, GVOP) pénztámogatásokat felhasználva a spektrométerhez modern elektronikus detektort és adatgyűjtő rendszert építettünk (6. ábra).

A hasadó magok hiperdeformált állapotait kis energiájú, könnyű ionokkal bombázva lehet gerjeszteni, amelyek azután a másodperc tört része alatt széthasadnak. A reakció csak a hiperdeformált forgási állapotot gerjesztő energián megy végbe, és észleléséhez gyors egymásutánban kell a reakció során kirepülő részecskét és a hasadási terméket megfigyelni. Az előbbit a mágneses spektrométerrel, az utóbbit az ATOMKI-ban kifejlesztett gáztöltésű detektorokkal végezzük. Ezen viszonylag egyszerű berendezések segítségével mértük az 236U atommag hasadási valószínűségét a gerjesztési energia függvényében, és így először sikerült hiperdeformált forgási sávokat megfigyelni. Első eredményeinket 1997-ben, egy Debrecenben rendezett nemzetközi szimpóziumon mutattuk be [6], 1998-ban pedig a legrangosabb fizikai folyóiratokban közöltük [7, 8]. A témakör iránti nagy érdeklődés miatt hasonló konferenciákat 2000-ben és 2005-ben is rendeztünk [9].

Legutóbbi kísérleteink alapján, amelyeket már a müncheni Ludwig Maximilians Egyetem kutatóival közösen végeztünk, a két fragmentumot hiperdeformált alakban tartó kölcsönhatás jellemzőit is sikerült meghatározni. A közeljövőben német kutatókkal együtt vizsgálni fogjuk a hasadási termékek tömegeloszlását is. Ez a kísérlet döntő bizonyítékot szolgáltathat a hiperdeformált állapotok körteszerű alakjára, valamint az állapot atommag-molekulaként történő értelmezéséhez is.

A magszerkezet-kutatások legújabb eszközei

A magfizika hőskorában a természetben előforduló stabil atommagok tanulmányozására koncentráltak a kutatók. Az izotópok neutronszám-rendszám grafikonjának átlójához közel van az úgynevezett stabilitási sáv, amelyhez a 263 ismert stabil mag tartozik. Az elmúlt fél évszázadban sikerült előállítani számos radioaktív atommagot, amelyek zöme többnyire igen rövid élettartamú. Ezeknek a stabilitási sávon kívül eső atommagoknak a száma hétezer körül van. Az ilyen magokat tartalmazó anyagokkal azonban nehéz kísérletet végezni, mert rövid élettartamuk miatt céltárgynak többnyire lehetetlen elegendő mennyiségben előállítani őket. Így kísérleti információ sokáig csak a stabilitási sáv viszonylag kevés atommagjáról állt rendelkezésre, és az atommagok többségének szerkezetéről alig volt tudásunk.

Az atommagok szerkezetének tanulmányozásában forradalmi változást ígér a radioaktív nyalábok használata, azaz olyan kísérletek megvalósítása, amelyeknél a gyorsítóberendezésben nem stabil, hanem radioaktív atommagokat gyorsítanak. Nyalábként sok nagyságrenddel kevesebb atommag is elegendő, mint amennyire céltárgyként szükség van, így előállítása lényegesen egyszerűbb. További előnye, hogy így a környezet sugárterhelése is nagyságrendekkel kisebb. Céltárgyként jól ismert stabil izotópokat használnak.

Az elmúlt évtized technológiai fejlesztéseinek köszönhetően a radioaktív nyalábok segítségével a magtérkép hatalmas új területei válnak vizsgálhatóvá. A magfizikai kutatás a természet törvényei felfedezésének új szintjéhez érkezett. Ezekkel az új radioaktív nyalábokkal sok ezer egzotikus atommagot tanulmányozhatunk, olyanokat, amelyek többsége korábban nem is létezett, vagy csak nagyon rövid időre keletkezett a csillagok legbelső, legforróbb részeiben. Megvizsgálhatjuk azokat a magreakciókat, amelyek a csillagok és szupernóvák belsejében létrehozták az általunk ismert kémiai elemeket.

A jelenlegi legnagyobb radioaktívnyaláb-gyorsítók Németországban (Darmstadt, GSI), Franciaországban (Caen, GANIL) az USA-ban (Michigan, NSCL) és Japánban (Tokió, RIKEN) vannak. Az ATOMKI munkatársai az elmúlt években ezekkel a laboratóriumokkal gyümölcsöző kapcsolatokat alakítottak ki, és új módszereket dolgoztak ki az atommagok szerkezetének tanulmányozására.

Európában a közeljövő legnagyobb nemzetközi magfizikai beruházása a darmstadti GSI kutatóintézetben lesz [10]. Az új berendezés öt különböző területen tesz majd lehetővé magfizikai kutatásokat, és ezzel az európai magfizikai vizsgálatok központjává válik. Távlatilag e berendezésen tervezzük az egzotikus atommagok vizsgálatát, és már elkezdtük az erre szolgáló speciális detektorok építését.

A radioaktív nyalábok használata az atommaghasadás vizsgálatára is új lehetőségeket teremt. A korábbi szisztematikus vizsgálatokat jelentősen korlátozta, hogy csak néhány Th- és U-céltárgyat használhattunk. Radioaktív nyalábokkal viszont az aktinoidatartomány széles tartományán végezhetünk majd vizsgálatokat. Ennek illusztrálására a 7. ábra az egyes izotópok hasításakor kapott termékek tömegeloszlását tünteti fel. A szimmetrikus (1 csúcs középen) és az aszimmetrikus hasadás markánsan különböző megjelenése az egymáshoz közeli izotópok esetén komoly kihívást jelent az elméleti értelmezés számára.

Különböző alakú gerjesztett állapotok ugyanabban az atommagban

Megfigyeltek olyan atommagokat is, amelyek különböző gerjesztett állapotokban különböző alakúak. Ilyen tulajdonságokat mutat például a jelenleg előállítható legkönnyebb ólomizotóp, a ¹⁸⁶Pb. Egy nemrég publikált mérésben a ¹⁸⁶Pb atommag három, egymáshoz közel fekvő 0 perdületű állapotának alakja alapvetően különbözőnek mutatkozott. Az egyik állapotban az atommag alakja megnyúlt, a másikban lapult, a harmadikban pedig gömbszerű volt. A magalakok ilyen sokféleségének kialakulása a protonok és a neutronok alapvető kölcsönhatásaira szolgáltat kísérleti adatokat, ezért a közeljövőben tervezzük a könnyű Pb-atommagok deformációinak vizsgálatát a CERN-ben, Európa legnagyobb atommag- és részecskefizikai központjában, egy új, óriásrezonanciákat felhasználó módszerrel.

Az atommagok széthasításától a téridőszerkezet széttöréséig

A bennünket alkotó és a körülöttünk lévő anyag keletkezésének és tulajdonságainak megértésére mind nagyobb és nagyobb teljesítményű „mikroszkópokat”, részecskegyorsítókat építenek világszerte. A legújabb ilyen gyorsítócsoda a Genfben épülő LHC, a nagy hadronütköztető.

Az LHC befejezésével körülbelül párhuzamosan és hasonló költségvetéssel folyik a NIF, az USA legnagyobb, lézerekkel indukált fúziós berendezésének beindítása is. Az elmúlt évtizedben a lézerek teljesítménye hihetetlen mértékben növekedett. Kétségtelen, hogy ebben a korábbi csillagháborús törekvések is közrejátszottak. A lézerek teljesítménye elérte a petawattot (10¹⁵ W), intenzitása pedig a 10²⁰ W/cm²-t. A lézerekkel keltett óriási elektromos terekkel (100 kV/nm) elektronokat sikerült nagy energiára (GeV nagyságrendű) gyorsítani. Az elektronok és az azok fékezésekor keletkező γ-sugárzások segítségével különböző magreakciókat sikerült létrehozni. Ezeket a reakciókat fel lehet használni például a maghasadás során keletkezett radioaktív hulladékok rövidebb felezési idejűekké történő átalakítására, transzmutációjára is. Egy szép példát közölt nemrég erről a New Scientist folyóirat [11]. Lézerekkel keltett fékezési sugárzással, (γ,n) magreakcióval, sikerült átalakítani a ¹²⁹I 16 millió év felezési idejű izotópját a ¹²⁸I 25 perc felezési idejű izotópjává.

A Nature folyóirat 2004-ben, Álomnyalábok címmel (8. ábra), egy teljes számot szentelt a lézeres részecskegyorsításnak [12]. Ekkor sikerült először jól meghatározott energiájú elektronnyalábot előállítani lézerek segítségével. A legutóbbi álomnyaláb-konferenciát Münchenben rendezték 2007 májusában, amelyen személyesen is megtapasztalhattam a résztvevők és az előadók optimizmusát és kitörő lelkesedését. Németország felismerte e terület jelentőségét, és létrehozta a MAP-ot a müncheni lézeres központot két Nobel-díjas résztvevő támogatásával (www.munich-photonics.de). Egy még nagyobb európai lézeres központ, az ELI is kialakulóban van (www.eli-laser.eu). Jelenleg 16 európai ország, köztük hazánk is támogatja a kezdeményezést.

Mivel a témába bekapcsolódó német fizikus kollégákkal már több mint 10 éve gyümölcsöző kapcsolatot alakítottunk ki a maghasadás vizsgálatára, számunkra is természetes dolog volt, hogy kutatásainkat ez irányba is kiterjesszük. Jelenleg a MAP alapvető kölcsönhatások és magátmenetek vizsgálatával foglalkozó csoportjának munkájába kapcsolódtunk be. Első terveink között szerepel monoenergiás ?-nyalábok előállítása, és azzal a maghasadás folyamatának pontosabb megismerése.

A lézerek teljesítményének további növelésével tervezzük a Schwinger-, majd pedig az Unruh-effektus vizsgálatát is. A Schwinger-effektus során a lézerek óriási elektromos tere elektron-pozitron párokat szakít ki a vákuumból, mintegy felforralja a vákuumot. A lézerek által keltett elektromos térben az elektronok gyorsulása már akkora lehet, mint egy fekete lyuk esetén a gravitációs gyorsulás. Ilyen módon a téridőszerkezet széttörésekor keletkező Unruh-sugárzás is detektálhatóvá válik. Ezen ambiciózus tervek megvalósítása sokak szerint mára már elérhető közelségbe került.

Irodalom

S.M. Polikanov et al., Soviet Journal of Physics (JETP) 15 (1962) 1016.
V.M. Strutinsky, Nuclear Physics A 95 (1967) 420.
H.J. Specht et al., Physics Letters B 41 (1972) 43.
P. Möller et al., Nature 409 (2001) 785.
S. Cwiok et al., Physics Letters B 322 (1994) 304.
A. Krasznahorkay et al., Acta Physica Hungarica 7 (1998) 35; http://www.atomki.hu/ens97
A. Krasznahorkay et al., Physical Review Letters 80 (1998) 2073.
A. Krasznahorkay et al., Physics Letters B 461 (1999) 15.
http://www.atomki.hu/ens2000; http://www.atomki.hu/ens05
http://www.gsi.de/fair/
Giant laser transmutes nuclear waste. (Breaking News) New Scientist 14 August 2003.
Nature 431 (2004) (teljes szám).

Fizikai Szemle