Aplikácie poznatkov jadrovej fyziky sú už bežnou súčasťou našich životov. Sú základom mnohých liečebných a detekčných metód v medicíne či techník umožňujúcich meranie tenkých vrstiev materiálov alebo hlbinných oceánskych prúdov. Nezabúdajme, že viac ako polovica elektrickej energie v našich zásuvkách pochádza z reaktorov jadrových elektrární na Slovensku.
Atómové jadro predstavuje zložitý systém, ktorý je možné opísať iba kvantovou mechanikou. Interakcie medzi protónmi a neutrónmi (nukleóny) sú také komplikované, že v súčasnosti sú len čiastočne riešiteľné. Z toho dôvodu neexistuje jednotný model popisujúci všetky vlastnosti atómových jadier. Teórie (sub)jadrovej fyziky vysvetľujú počiatočný vývoj a štruktúru vesmíru. Definujú mechanizmy, podľa ktorých vznikli prvky známe z periodickej tabuľky. Na základe aktuálneho množstva poznatkov môžeme mať klamlivý pocit, že už dokonale poznáme štruktúru hmoty. Ale ani po desiatkach rokov intenzívneho výskumu toto tvrdenie nie je úplne pravdivé. Komplexnosť atómových jadier v kombinácii so zákonmi kvantovej mechaniky sťažujú odpoveď aj na zdanlivo triviálnu otázku: Aký tvar majú atómové jadrá?
Rôzne tvary
Tvar atómových jadier je podľa najnovších vedeckých výsledkov rôzny a nie je iba guľatý. Jadrá môžu mať tvar lopty na rugby, splošteného disku alebo komplikovaných útvarov, ktoré sú deformované v smere všetkých troch osí (tzv. triaxiálna deformácia). V prípade takýchto zložitejších tvarových deformácií môžeme hovoriť aj o hruškovitých jadrách. Takými sú napríklad jadrá rádia, ktoré vedci skúmali a pozorovali v CERN-e. Hľadali vtedy konkrétne prechody medzi hladinami jadra, nazývané oktupólové prechody. Pravdepodobnosť týchto prechodov je zvýšená práve pri hruškovitých jadrách.
Deformované jadrá existujú v základnom, ale aj vo vzbudenom stave. Tvar sa môže zmeniť už pri malej zmene energie medzi stavmi jadra. Tento jav opísali v roku 1956 a súvisí s tzv. tvarovou koexistenciou. Vtedy jadro existuje súčasne v dvoch stavoch (superpozícia), ktoré majú rozličnú deformáciu, ale blízku hodnotu energie. Experimentálne potvrdenie tohto javu sa udialo o niekoľko desaťročí neskôr, pretože vyžadovalo experimenty zamerané na štúdium nízkointenzívnych prechodov medzi hladinami v jadre. K jedným z najznámejších prípadov výskytu tvarovej koexistencie patria izotopy ortuti. Podobne bola pozorovaná aj v izotopoch olova. Súčasné poznatky ukazujú, že tento jav spojený so špecifickými skupinami jadier môže byť do istej miery prítomný pri všetkých jadrách.
Svetová veda na Slovensku
Význam tvarovej deformácie najlepšie demonštruje existencia tzv. Hoylovho stavu v izotope uhlíka-12. Tento stav je na rozdiel od sférického základného stavu vzbudený a tvarovo deformovaný. V roku 1954 ho Fred Hoyle navrhol ako kľúčovú časť fúzneho reťazca jadier ťažších ako hélium a vodík. Bol chýbajúcim dielikom v energetickej nerovnováhe pri fúzii alfa častice (hélium) a jadier berýlia-8. O niečo neskôr sa podarilo existenciu tohto stavu experimentálne potvrdiť. Hoylov stav má presne definovanú energiu – 7,654 megaelektrónvoltu (1 elektrónvolt sa rovná 1,602 × 10-19 joulu). Keby sa táto hodnota energie odlišovala čo i len o dve percentá, neexistoval by vesmír vo forme, v akej ho teraz poznáme.
V súčasnosti experimenty zamerané na výskum tvarovej koexistencie uskutočňujú mnohé vedecké tímy na celom svete. Medzi ne patrí aj tím z Fyzikálneho ústavu (FÚ) SAV, ktorý skúma izotopy zlata v CERN-e či vo Fínsku. Na základe ich experimentálnych výsledkov sa výrazne rozšírila systematika neutrónovodeficitných izotopov zlata, v ktorých pozorovali prítomnosť tvarovej koexistencie. Jadroví fyzici z FÚ SAV sa aktuálne zamerali aj na štúdium izotopov medi, pri ktorých sú teoretické náznaky výskytu tvarovej koexistencie. Tieto experimenty budú prebiehať v urýchľovačovom laboratóriu FÚ SAV a sú dôkazom, že svetovú vedu je možné robiť aj na Slovensku.
Ing. Monika Bírová
Fyzikálny ústav SAV, v. v. i.
Článok vznikol v spolupráci s platformou Mladí vedci SAV.
