Il magnesio la sa lunga sui nuclei atomici

Nuclear islands of deformation

Rappresentazione artistica di un nucleo di magnesio. (Phoocredit:carloscastilla/iStock/Thinkstock).

Un gruppo di ricercatori coordinato da Pieter Doornenbal (RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science (RNC)) ha scoperto che i nuclei di magnesio con un gran numero di neutroni sembrano perdere la tipica struttura a guscio (shell). I protoni e i neutroni che compongono un nucleo atomico sono tenuti insieme da un equilibrio di forze. Quando il numero di neutroni è “simile” al numero di protoni, il nucleo è generalmente stabile e nucleoni si dispongono in gusci come conseguenza delle leggi della meccanica quantistica. Più in dettaglio, la stabilità dei nuclei è connessa alla teoria dei numeri magici. La lista di numeri magici noti è piuttosto esigua: l’ultima scoperta in merito si deve ai ricercatori dell’Università di Tokio, in collaborazione con il nostro Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, che conferma la presenza del 34 nel novero dei numeri magici che, ad oggi, sono otto: 2, 8, 20, 28, 34, 50, 82 e 126. Vediamo dove eravamo rimasti.

Su Nature l’anno scorso leggevo che gli isotopi di calcio con 34 neutroni nel nucleo sono di gran lunga più stabili rispetto a quelli che ne hanno anche solo uno in più o in meno. Tutti sappiamo che i nuclei atomici sono composti di protoni e neutroni che tendono a organizzarsi in gusci, ognuno dei quali può ospitare solo un certo numero di particelle ed è caratterizzato da un livello energetico diverso. Il numero magico di particelle è quello che non lascia spazi vuoti e riempie completamente i gusci: pienezza corrisponde a stabilità e longevità.

La difficoltà di compiere progressi in questo campo deriva soprattutto dall’instabilità di alcuni tipi di nuclei, quelli in cui c’è un evidente squilibrio tra protoni e neutroni. Ma spesso i conti non quadrano. Prendiamo il magnesio-32: ha 12 protoni e 20 neutroni. Nonostante il 20 sia un numero magico, l’elemento non è stabile come ci si aspetta: è evidente che alla teoria manca qualcosa di fondamentale.

I ricercatori hanno lavorato sul calcio-54, con 20 protoni e 34 neutroni. Poiché l’elemento non si reperisce facilmente in natura, è stato necessario crearlo in laboratorio: usando l’acceleratore di particelle del Riken Nishina Center, gli scienziati hanno sparato un fascio di nuclei di scandio-55contro un bersaglio di berillio. La collisione ha tirato via un protone dal nucleo di scandio, creando lo sfuggente calcio-54. Completo di trentaquattro protoni. Hanno poi misurato la quantità di energia che separava il nucleo dal cosiddetto stato eccitato, quello in cui una particella viene portata nel guscio successivo e poi lasciata tornare indietro. Le leggi della meccanica quantistica prevedono infatti che a ogni guscio sia associata un’energia ben precisa: maggiore è la differenza tra le energie di due gusci, più è difficile portare una particella da un guscio all’altro.

Dato che il primo livello eccitato ha energia piuttosto alta, è energeticamente vantaggioso per il calcio-54 rimanere nella sua configurazione base. Detto altrimenti, l’elemento è stabile e il 34 è un numero magico. C’è un’altra ragione che rende il calcio-54 un caso interessante. Si tratta di un isotopo radioattivo. Significa che i suoi atomi differiscono tra loro solo per il numero di neutroni e che tende a decadere, cioè a trasformarsi in particelle più piccole: in virtù del fatto che è così stabile, il suo tempo di decadimento è dell’ordine dei millisecondi, piuttosto lungo se comparato alle scale temporali tipiche delle reazioni nucleari. Per questa sua longevità non è improbabile che abbia un ruolo determinante nei processi di fusione nucleare interni alle stelle, vere e proprie fucine di elementi pesanti.

Cristalli di magnesio. (Photocredit: wikipedia.org).

Ma c’è anche un altro aspetto della questione che viene messo in evidenza in questa nuova ricerca pubblicata su Physical Review Letters. Di solito i nuclei stabili sono sferici, mentre quelli che hanno un numero diverso di protoni e neutroni, diverso dai numeri magici noti, hanno forme irregolari. Doornenbal e suoi colleghi hanno studiato la forma di nuclei di magnesio con 22, 24 o 26 neutroni, un significativo squilibrio di neutroni contro i 12 protoni del magnesio. I primi risultati sembrano testimoniare che  i numeri magici potrebbero differire da quelle dei nuclei stabili presenti in natura, in cui i numeri di protoni e neutroni sono approssimativamente uguali.

I nuclei di magnesio sono stati prodotti bombardando ad alta energia dei nuclei di calcio contro un bersaglio di berillio sottile. La collisione ha creato una moltitudine di differenti nuclei che sono stati poi analizzati usando campi magnetici per selezionare i nuclei precursori: alluminio-37, alluminio-39 e silicio-40. I nuclei di magnesio sono stati poi ottenuti bombardando i nuclei precursori contro un bersaglio di carbonio per mettere fuori i nucleoni supplementari. Attraverso questa procedura un po’ macchinosa è stato possibile capire meglio la forma dei nuclei.

La forma dei nuclei di magnesio è stata infatti osservata misurando le onde elettromagnetiche ad alta energia che essi stessi emettono. Confrontando questi risultati con i calcoli teorici e con un precedente esperimento, il team ha dedotto una grande isola di deformazione che si riscontra negli isotopi che hanno nuclei ricchi di neutroni con 20-28 neutroni. Insomma, potremmo dirla così anche se è un vezzo teoretico dal sapore filosofico: i numeri magici hanno gradi di libertà cui corrisponde una variazione nella morfologia del nucleo atomico.

Papers di riferimento:

Doornenbal, P., et alii., “In-beam γ-ray spectroscopy of 34,36,38Mg: Merging the N = 20 and N = 28 shell quenching”, in Physical Review Letters, 111, 212502 (2013): DOI dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.111.212502

Steppenbeck, D., et alii., “Evidence for a new nuclear ‘magic number’ from the level structure of 54Ca“, in  Nature, (2013): DOI DOI: 10.1038/nature12522

Annunci

Rispondi

Inserisci i tuoi dati qui sotto o clicca su un'icona per effettuare l'accesso:

Logo WordPress.com

Stai commentando usando il tuo account WordPress.com. Chiudi sessione / Modifica )

Foto Twitter

Stai commentando usando il tuo account Twitter. Chiudi sessione / Modifica )

Foto di Facebook

Stai commentando usando il tuo account Facebook. Chiudi sessione / Modifica )

Google+ photo

Stai commentando usando il tuo account Google+. Chiudi sessione / Modifica )

Connessione a %s...