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Il nucleo dell'atomo ha una forma a pera

  Autore: n/a

  domenica 12 maggio 2013 ore: 00:00:00 - letto [ 1772 ]

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Per la prima volta al CERN di Ginevra sono state raccolte le prove sperimentali delle esotiche deformazioni dei nuclei di alcuni isotopi degli elementi più pesanti. Il risultato, ottenuto eccitando fasci di ioni di radon e di radio, offre nuove indicazioni sui meccanismi che avvengono a livello subnucleare e rappresenta un passo importante per porre limiti stringenti alle possibili estensioni del modello standard della fisica delle particelle.

I nuclei atomici degli elementi pesanti possono avere una singolare forma a pera”: lo ha dimostrato, grazie a una sperimentazione con fasci di ioni radioattivi pesanti presso l'acceleratore ISOLDE del CERN di Ginevra, un'ampia collaborazione di fisici nucleari guidati da L. P. Gaffney dell'Oliver Lodge Laboratory dell'Università di Liverpool, che firmano un articolo apparso sulla rivista “Nature”.

L'attuale modello dell'atomo ha la sua genesi nei fondamentali esperimenti effettuati nel 1909 da Ernest Rutherford, in cui si scoprì che gran parte della massa atomica è concentrata in un volume ridottissimo, il nucleo, con carica elettrica positiva, circondato da una “nube” di elettroni, carichi negativamente, che a seconda del loro numero e del loro stato di eccitazione energetica possono occupare diversi orbitali atomici.

È un fatto quindi che nella materia allo stato atomico i vuoti prevalgono sui pieni: la scala dimensionale nucleare è dell'ordine dei 10 femtometri (pari a circa un milionesimo di miliardesimo di metro) mentre il raggio dell'orbita del primo elettrone è tre ordini di grandezza più grande: se il protone fosse una palla da tennis, l'elettrone sarebbe una palla da ping pong distante un chilometro.

In questo quadro, il nucleo è considerato puntiforme per molte applicazioni, e il campo elettrostatico che genera, e che trattiene gli elettroni, ha una simmetria sferica. Per la fisica nucleare e quella delle particelle, che indagano i fenomeni a scale dimensionali molto più piccole, questa approssimazione non vale più: anche il nucleo è una struttura composta ed è costituita da nucleoni (protoni, carichi positivamente, e neutroni, elettricamente neutri) che rimangono legati in virtù di una forza che essi stessi generano.

Le regole quantistiche applicate alle complesse interazioni tra i nucleoni prevedono che si possano creare situazioni in cui la distribuzione di carica elettrica nel suo complesso non ha più una forma sferica, ma ellissoidale, o in casi più estremi, anche “a pera”. Queste distribuzioni corrispondono a particolari stati di eccitazione di specifici isotopi del radon, del radio, del torio e dell'uranio, ma finora nessun esperimento aveva permesso di ottenere una verifica diretta della loro esistenza.

Molte di queste forme esotiche dei nuclei previste in via teorica non si presentano in natura, per essere osservate devono quindi essere sintetizzate producendo reazione nucleari in un acceleratore di particelle. Il segnale che producono è uno caratteristico schema di radiazione elettromagnetica che viene emesso quando da uno stato eccitato tornano allo stato fondamentale.

Per poter produrre le forme nucleari a pera, Gaffney e colleghi hanno utilizzato specifici isotopi del radon e del radio a emivita molto breve, fortemente ionizzati, cioè privati di molti loro elettroni, e poi li hanno accelerati fino a circa il 10 per cento della velocità della luce. Questo fascio di ioni pesanti è stato fatto incidere su un bersaglio metallico, ottenendo la cosiddetta eccitazione coulombiana.

I dati raccolti mostrano chiaramente l'evidenza della deformazione a pera nei nuclei di radio, mentre nel caso del radon le prove sono ancora modeste. I futuri sviluppi degli acceleratori di particelle e degli strumenti potrebbe consentire di superare questo limite, estendendo la rivelazione delle elusive deformazioni nucleari anche agli isotopi del torio e dell'uranio.

Il risultato ottenuto è importante soprattutto perché chiarisce alcuni aspetti fondamentali dei processi subnucleari e pone alcuni limiti stringenti alle possibili estensioni del modello standard della fisica delle particelle che, nonostante le numerose conferme sperimentali, viene ora sfidata dai nuovi fenomeni che emergono dagli acceleratori di ultima generazione come l’LHC del CERN di Ginevra.

Il Video
La distribuzione di carica in un nucleo atomico, in opportune condizioni prodotte artificialmente, può discostarsi notevolmente dalla simmetria sferica. Il video mostra una modellizzazione animata delle vibrazioni del nucleo di radon-220 (prima parte) e della rotazione del radio-224 (seconda parte). I diversi colori indicano che la carica elettrica è più densa al centro




 * Click sulla foto per ingrandirla


allegato, MINIBALL_spettrometro_raggi_gamma.jpg


Un'immagine di MINIBALL, lo spettrometro in raggi gamma utilizzato come rivelatore dell'esperimento presso l'acceleratore ISOLDE del CERN

 

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fonte
http://www.lescienze.it/news/2013/0...

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Riferimento
http://www.nature.com/nature/journa...








 

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