Os cientistas geralmente imaginam que os núcleos atômicos são aglomerados mais ou menos esféricos de prótons e nêutrons, mas sempre relativamente caótico. Experimentos no Laboratório Nacional de Argonne, inspirado por físicos do Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências da Cracóvia, estão tentando verificar este modelo simples. Para implantar uma analogia astronômica, na medida em que a maioria dos núcleos são semelhantes em contorno a objetos rochosos como luas ou asteróides, então, os núcleos do chumbo-208 sob certas condições se assemelham a planetas rodeados por uma atmosfera densa que pode se mover em torno de um núcleo rígido.

Por cerca de uma dúzia de anos, físicos dos EUA e da Polônia têm investigado propriedades dos núcleos de átomos de chumbo-208. Uma análise publicada recentemente resumindo os experimentos conduzidos no ANL usando o acelerador supercondutor ATLAS e o detector de raios gama Gammasphere produziu conclusões interessantes. Acontece que, sob certas condições, novo, estados de energia relativamente estáveis ​​não previstos pela teoria são produzidos em núcleos de chumbo-208. O que mais, há indícios que sugerem que tais núcleos apresentam uma estrutura de caráter coletivo até então não reconhecida.

"Os núcleos atômicos podem ser estimulados a uma variedade de estados de energia, incluindo aqueles em que eles giram rapidamente. Contudo, nem todos os núcleos em tais estados devem realmente girar, "diz o Prof. Rafal Broda (IFJ PAN), o primeiro autor o artigo publicado em Revisão Física C . "O núcleo do chumbo-208 consiste em 82 prótons e 126 nêutrons e, com uma aproximação muito boa, pode ser considerado esférico. Quando usamos equações da mecânica quântica para descrever núcleos desta forma, discutir o spin do núcleo torna-se sem sentido - as posições em diferentes fases do spin são indistinguíveis, então não há mudanças na energia. Portanto, presume-se que os núcleos esféricos não giram, e o tamanho físico relacionado ao spin - o spin do núcleo - é derivado inteiramente de vários núcleos acoplados movendo-se em torno de suas órbitas. Enquanto isso, nossa pesquisa mostra que, nos núcleos do chumbo-208, uma ampla gama de valores de spin é observada, até estados de alta rotação, uma sequência de estados que podem ser interpretados como relacionados ao spin coletivo. Os $ 64, 000 perguntas, então, é 'O que é que está girando em tal núcleo?' "

Na física moderna, a estrutura de átomos inteiros é descrita usando um modelo de casca. Isso pressupõe que os elétrons, carregando uma carga elétrica negativa, mover-se a distâncias consideráveis ​​em torno de um praticamente núcleo pontilhado. Contudo, a probabilidade de encontrar um elétron é alta apenas em certas áreas, onde a energia do elétron assume valores estritamente definidos. O núcleo do átomo é, portanto, circundado por uma estrutura espacial formada por um número maior ou menor de camadas energéticas. Cada concha tem uma certa capacidade máxima, e se o número de elétrons exceder esta capacidade, os elétrons em excesso devem fazer a transição para a próxima camada, mais longe do núcleo.

Quando a camada de elétrons mais externa fica cheia de elétrons, o átomo reluta em reagir com outros átomos ou moléculas. Na quimica, tais elementos são chamados de gases nobres devido à sua estabilidade particular e falta de atividade química.

Os núcleos atômicos são objetos muito mais complexos do que os átomos tratados como uma carga positiva pontilhada cercada por um grupo de elétrons distantes. Nucleons, ou os prótons e nêutrons que compõem o núcleo, têm massas que são milhares de vezes maiores que o elétron, e adicionalmente, todas as partículas estão próximas umas das outras e entram em inúmeras interações nucleares e eletromagnéticas. Portanto, foi uma grande surpresa para os físicos descobrir que o modelo de concha também funciona para núcleos atômicos. Contudo, a situação aqui é mais interessante, porque os nêutrons e prótons formam suas próprias camadas nos núcleos, que são particularmente estáveis ​​para números de núcleons conhecidos como números mágicos. Os físicos chamam os núcleos com camadas de prótons e nêutrons completamente preenchidas de duplamente mágicas. O Lead-208 é único neste grupo porque é o núcleo duplamente mágico mais massivo.

As propriedades dos núcleos de chumbo-208 em estados de spin baixo são bastante conhecidas, mas no que diz respeito aos estados de alto spin, este não era o caso até recentemente. Núcleos atômicos em tais estados são produzidos pelo processo de fusão que ocorre em colisões que ocorrem quando um alvo feito de um material adequadamente selecionado é bombardeado com partículas correspondentes. Infelizmente, não há combinação partícula-alvo capaz de produzir núcleos de chumbo-208 em estados de alta rotação. É por isso que por três décadas, o grupo Cracóvia liderado pelo Prof. Broda tem trabalhado no uso de colisões inelásticas profundas para estudar núcleos que são inacessíveis em processos de fusão. Em colisões deste tipo, os núcleos de bombardeio interagem com os núcleos alvo, mas não se funda com eles.

"Em um estado de spin alto - o efeito de uma colisão inelástica profunda - o núcleo fica excitado e tenta retornar ao estado de energia mais baixo. Ele se livra de seu excesso em várias ou algumas dezenas de estágios, cada um emitindo radiação gama com uma característica de energia para sua transição. Ao analisar as energias desta radiação, somos capazes de obter muitas informações sobre a estrutura dos núcleos atômicos e os processos que ocorrem dentro deles, "explica o Dr. Lukasz Iskra (IFJ PAN).

A última análise usa medições feitas no ANL em conjunto com o grupo do Prof. Robert Janssens. Nestes experimentos, alvos de chumbo-208 ou urânio-238 foram bombardeados com íons de chumbo-208, selênio-82, germânio-76, níquel-64 ou cálcio-48. A radiação gama foi registrada por um detector de Gammasfera, consistindo em 108 detectores de germânio de alta qualidade (este instrumento espetacular pode ser visto, entre outros, no filme O Hulk )

Para surpresa dos pesquisadores, a última análise resultou na detecção de estruturas e fenômenos em núcleos de chumbo 208 que não foram previstos pela teoria atual. Muitos novos estados de energia foram observados, e três foram considerados estados isoméricos, e, portanto, muito mais estável do que outros. Em estados normais, o núcleo ocorre por picossegundos, enquanto em um dos estados isoméricos, o núcleo foi detectado por até 60 nanossegundos (bilionésimos de segundo), ou seja, mil vezes mais.

De maior interesse foram os resultados sugerindo spin coletivo em um núcleo que é esférico, e, portanto, não deve girar, de acordo com a mecânica quântica. Os pesquisadores presumem que em altas rotações, um núcleo rígido é formado no núcleo do chumbo-208; a próxima massa elementar mais alta é o núcleo duplamente mágico, ou seja, estanho-132. Parece que este núcleo não gira, mas a camada externa formada pelos outros 76 núcleos gira.

"Começando com certos estados de alta rotação, o núcleo do chumbo-208 deixa de ser um objeto homogeneamente rígido, tal como, por exemplo, a lua geologicamente quase morta. Uma analogia astronômica melhor seria um corpo rochoso com uma atmosfera muito densa, mas não tão calmo quanto Vênus ou Titã. Esta atmosfera deve se mover rapidamente sobre a superfície, então pode ser como um furacão global, "diz o Prof. Broda. Este novo modelo vai permitir aos teóricos incorporar mais fenómenos e aumentar a precisão das suas previsões.