Γιατί ορισμένα άτομα επιβιώνουν για πάντα ενώ άλλα διαλύονται σχεδόν αμέσως; Γιατί ο μόλυβδος-208 θεωρείται αθάνατος, την ώρα που το τεχνητό ισότοπο τεχνήτιο-99 εξαφανίζεται μέσα σε λίγες ώρες; Η απάντηση βρίσκεται βαθιά στον πυρήνα των ατόμων και σχετίζεται με έναν εντυπωσιακό κανόνα: τα λεγόμενα «μαγικά νούμερα» της Πυρηνικής Φυσικής.
Η σταθερότητα του πυρήνα
Η διάρκεια ζωής ενός ατόμου εξαρτάται από το πώς είναι δομημένος ο πυρήνας του. Ορισμένα ισότοπα, όπως ο μόλυβδος-208 ή το ασβέστιο-40, υπάρχουν από τη δημιουργία της Γης και αναμένεται να αντέξουν μέχρι το τέλος του χρόνου. Αυτά ονομάζονται πρωτογενή ισότοπα. Άλλα, όπως το ογκανέσσιο-294 ή το τενεσσίνιο-294, διασπώνται τόσο γρήγορα που μετρούν την ύπαρξή τους σε χιλιοστά του δευτερολέπτου.
Συχνά οι επιστήμονες συνδέουν την αστάθεια με το βάρος του ατόμου: όσο πιο βαρύ είναι, τόσο πιο δύσκολο να παραμείνει ενωμένο. Όμως, ήδη από τη δεκαετία του 1940 και 1950 παρατηρήθηκε ότι ακόμα και ελαφρύτερα στοιχεία, όπως ο άνθρακας-14 ή το κάλιο-40, υφίστανται ραδιενεργό μετασχηματισμό, συμβάλλοντας μάλιστα στη φυσική ακτινοβολία που υπάρχει στον πλανήτη.
Η ανακάλυψη των μαγικών αριθμών
Σε αυτό το πλαίσιο, οι φυσικοί εντόπισαν κάτι παράξενο: συγκεκριμένοι αριθμοί πρωτονίων και νετρονίων οδηγούσαν σε πυρήνες με εξαιρετική σταθερότητα. Αυτοί οι αριθμοί ονομάστηκαν «μαγικοί».
Όπως εξηγεί ο David Jenkins, πυρηνικός φυσικός στο University of York, τα μαγικά νούμερα είναι τα 2, 8, 20, 28, 50, 82 και 126. Ένα απλό παράδειγμα είναι ο πυρήνας του ηλίου, με δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια. Αυτό το «πακέτο», γνωστό και ως σωματίδιο άλφα, είναι τόσο σταθερό που πολλά βαριά άτομα το εκπέμπουν κατά τη διάσπασή τους αντί να χάνουν σωματίδια ένα-ένα.
Ο «παιχνιδόκοσμος» των κελυφών
Για να εξηγήσουν το φαινόμενο, οι επιστήμονες πρότειναν το «μοντέλο πυρηνικού κελύφους». Όπως τα ηλεκτρόνια σε ένα άτομο οργανώνονται σε στιβάδες γύρω από τον πυρήνα, έτσι και τα πρωτόνια και νετρόνια καταλαμβάνουν ενεργειακά επίπεδα μέσα στον ίδιο τον πυρήνα. Όταν ένα κέλυφος γεμίζει, το σύστημα γίνεται πιο σταθερό.
Η αιτία βρίσκεται στις ιδιότητες της ισχυρής πυρηνικής δύναμης, της αλληλεπίδρασης που συγκρατεί τα σωματίδια ενωμένα. Όταν ένα κέλυφος ολοκληρώνεται, η συνοχή ανάμεσα στα πρωτόνια και τα νετρόνια είναι ισχυρότερη απ’ ό,τι αναμενόταν. Έτσι προκύπτουν οι μαγικοί αριθμοί: οι «χρυσοί κανόνες» που καθορίζουν πόσα σωματίδια χρειάζονται για να κλείσει ένα κέλυφος.
Απλά και διπλά μαγικά άτομα
Ένα ισότοπο μπορεί να είναι «μονάχα μαγικό» αν διαθέτει τον σωστό αριθμό είτε πρωτονίων είτε νετρονίων. Ο σίδηρος-56 είναι ένα παράδειγμα. Αλλά μερικά ισότοπα είναι «διπλά μαγικά», έχοντας μαγικό αριθμό και στα δύο σωματίδια. Τέτοια είναι το οξυγόνο-16 με 8 πρωτόνια και 8 νετρόνια ή ο μόλυβδος-208 με 82 πρωτόνια και 126 νετρόνια.
Οι διπλά μαγικοί πυρήνες έχουν μοναδικά χαρακτηριστικά: παρουσιάζουν τέλεια σφαιρική δομή, σε αντίθεση με τους περισσότερους πυρήνες που είναι ελαφρώς παραμορφωμένοι και περιστρέφονται. Αυτή η συμμετρία τους χαρίζει επιπλέον σταθερότητα και ιδιαίτερες κβαντικές ιδιότητες.
Τα όρια του μοντέλου
Παρά τη γοητεία των μαγικών αριθμών, παραμένουν ερωτήματα για το πόσο μακριά φτάνει η ισχύς τους. Ο κασσίτερος-100, ο βαρύτερος διπλά μαγικός πυρήνας με 50 πρωτόνια και 50 νετρόνια, ζει μόλις 1,2 δευτερόλεπτα. Ακόμη πιο μακριά, το στοιχείο unbihexium, που αναμένεται να έχει μαγική δομή μετά τον μόλυβδο, δεν έχει καν συντεθεί στο εργαστήριο.
Το αν οι μαγικοί αριθμοί θα επιτρέψουν την επέκταση του περιοδικού πίνακα σε μια όγδοη σειρά στοιχείων παραμένει ένα ανοιχτό στοίχημα. Οι φυσικοί συνεχίζουν να ερευνούν, προσπαθώντας να κατανοήσουν αν η «μαγεία» των αριθμών αυτών θα χαρίσει νέα σταθερά στοιχεία ή αν θα συναντήσει ανυπέρβλητα όρια.
Ένα μυστήριο με μέλλον
Από το ήλιο-4 μέχρι τον μόλυβδο-208, οι μαγικοί αριθμοί δείχνουν ότι η φύση έχει τους δικούς της κανόνες συμμετρίας και ισορροπίας. Κάθε νέο πείραμα προσθέτει κομμάτια σε ένα παζλ που συνδυάζει την κβαντική φυσική με την κοσμική εξέλιξη. Κι όσο οι επιστήμονες πλησιάζουν να κατανοήσουν αυτά τα μυστικά, τόσο πιο κοντά φτάνουμε σε μια βαθύτερη κατανόηση της ίδιας της ύλης που μας περιβάλλει.
[via]
