Laserpulse enthüllt die „Rugbyball“-Form der schwersten Atome im Universum

Einige der schwersten Atome im Universum existieren kaum lange genug, um untersucht zu werden, aber Wissenschaftler konnten nun ihre innere Struktur kartieren, bevor sie verschwinden.

Durch das Abfeuern sorgfältig abgest Einige der schwersten Atome im Universum existieren kaum lange genug, um untersucht zu werden, aber Wissenschaftler konnten nun ihre innere Struktur kartieren, bevor sie verschwinden.

Durch das Abfeuern sorgfältig abgestimmter Laserpulse auf Atome hat eine Forscherin von der University of Gothenburg gezeigt, dass die Kerne von Neptunium und Fermium (radioaktive Elemente in der Aktinoidreihe des Periodensystems) nicht perfekt rund, sondern wie Rugbybälle gestreckt sind.

Dies mag wie ein kleines Detail

Dies mag wie ein kleines Detail erscheinen, beeinflusst aber die Kernform, wie Atome sich verhalten, wie sie zerfallen und wie neue Elemente entstehen könnten.

Jahrzehntelang waren solche Messungen unerreichbar, weil solche Elemente in winzigen Mengen produziert werden und innerhalb von Sekunden zerfallen.

„Diese Elemente sind schwierig zu untersuchen, weil sie instabil sind und nur für sehr kurze Zeit in extrem kleinen Mengen existieren“, sagte Mitzi Urquiza, die Forscherin, die das Laserpuls-Experiment im Rahmen ihrer Abschlussarbeit an der University of Gothenburg durchführte.

In ihrer Forschungsarbeit erklärte Urquiza einen

In ihrer Forschungsarbeit erklärte Urquiza einen praktischen Weg, solche Elemente detailliert zu untersuchen. Ihre Arbeit öffnet ein neues Fenster in den instabilen Rand des Periodensystems, wo die schwersten Elemente nur kurz existieren, bevor sie zerfallen.

Atome einfangen, bevor sie verschwinden Die größte Hürde bei der Untersuchung schwerer Aktiniden wie Neptun ist ihre flüchtige Existenz. Diese Atome werden in Beschleunigern in extrem geringen Zahlen erzeugt und überleben oft nur wenige Sekunden.

Herkömmliche Techniken erfordern stabilere Proben und längere Beobachtungszeiten, die für diese Elemente schlicht nicht vorhanden sind. Um dies zu überwinden, entwickelten die Forscher ein spezialisiertes Lasersystem, das um einen optischen parametrischen Oszillator (OPO) herum aufgebaut ist.

Dieses System kann sehr präzise Lichtwellenlängen

Dieses System kann sehr präzise Lichtwellenlängen erzeugen, die konventionelle Laser nur schwer erzeugen können, insbesondere im ultravioletten Bereich, wo viele schwere Elemente am besten reagieren.

Wichtiger ist, dass das Setup einen hochstabilen kontinuierlichen Laser mit gepulster Verstärkung kombiniert, was es ihm ermöglicht, sowohl sehr präzises als auch energiereiches Licht zu liefern.

„Unser Ansatz ermöglicht schmalbandige, energiereiche Pulse mit optischen Linienbreiten in der Größenordnung von 100 MHz, die Spektrenlücken abdecken, die für herkömmliche Titan:Saphir (Ti: Sa)- und Farbstofflaser oft nicht zugänglich sind“, berichten die Forscher.

Wenn diese Laserpulse auf die Atome

Wenn diese Laserpulse auf die Atome gerichtet werden, absorbieren die darin befindlichen Elektronen spezifische Energiemengen und springen zwischen Energieniveaus.

„Da der Kern keine punktförmige Ladung ist, sondern ein endliches Volumen und eine Form besitzt, können diese Wechselwirkungen durch kleine Verschiebungen in der Energie eines atomaren Übergangs beobachtet werden, die als Hyperfeinstruktur bekannt ist“, fügten die Forscher hinzu.

Durch die Messung dieser winzigen Effekte mit hoher Präzision können Wissenschaftler Informationen über den Kern gewinnen, einschließlich seiner Größe, magnetischer und elektrischer Eigenschaften und Form. Eine hochwertige Beschreibung schwer fassbarer ElementeWas diesen Ansatz so leistungsfähig macht, ist die Kombination aus Präzision und hoher Leistung.

Der OPO-basierte Laser erzeugt schmale, hochenergetische

Der OPO-basierte Laser erzeugt schmale, hochenergetische Pulse, die Atome innerhalb ihrer kurzen Lebensdauern untersuchen können und gleichzeitig sehr feine Details in ihrer Energiestruktur auflösen.

Die Experimente wurden an mehreren fortschrittlichen Einrichtungen in Europa durchgeführt, von denen jede mit einzigartigen Werkzeugen ausgestattet war, die zur Erzeugung, Isolierung und Messung dieser seltenen Atome benötigt wurden.

Durch die Kombination von Daten aus verschiedenen Aufbauten konnten die Forscher die erste hochwertige Beschreibung der Kerne von Fermium und Neptunium erstellen und dabei ihre längliche, rugbyballartige Form aufdecken.

„Diese Ergebnisse zeigen, dass OPO-basierte Lasersysteme

„Diese Ergebnisse zeigen, dass OPO-basierte Lasersysteme eine vielseitige und effiziente Lösung für die Erweiterung der hochauflösenden Spektroskopie auf neue Bereiche der Kernkarte bieten“, sagten die Forscher.

Warum die Kernform über das Labor hinaus wichtig ist: Das Verständnis der Form atomarer Kerne ist unerlässlich für das Testen und Verbessern von Modellen der Kernphysik. Diese Modelle werden verwendet, um vorherzusagen, wie Elemente reagieren, insbesondere solche, die noch nicht entdeckt wurden.

Die neuen Messungen liefern wertvolle Daten, die diese Theorien verfeinern und den Wissenschaftlern helfen können, zu erforschen, wie weit die Periodentabelle erweitert werden kann. „Präzise Messungen dieser Observablen sind unerlässlich, um modernste theoretische Modelle zu testen und die Grenzen der nuklearen Existenz zu erforschen“, betonen die Forscher.

Es gibt auch praktische Implikationen.

Es gibt auch praktische Implikationen.

Neptun ist Teil des nuklearen Brennstoffkreislaufs, daher könnte ein besseres Wissen über seine Eigenschaften zur effektiveren Bewältigung von nuklearem Abfall beitragen.

Darüber hinaus könnten Erkenntnisse aus der Aktinid-Forschung langfristig auch die Produktion von Radioisotopen unterstützen, die in medizinischen Behandlungen wie der Krebstherapie eingesetzt werden.

Der nächste Schritt besteht darin, die Lasertechnologie weiter zu verbessern, indem der Wellenlängenbereich erweitert und die Stabilität erhöht wird, damit mehr exotische Kerne erforscht werden können. Die vollständige Dissertation ist hier zugänglich.