Για περισσότερο από έναν αιώνα, η επικρατούσα αντίληψη στη Φυσική ήταν πως οι πυρήνες των ατόμων είναι σφαιρικοί. Η υπόθεση αυτή, που βασίστηκε στις πρώτες μετρήσεις από το 1911 και έπειτα, θεωρούνταν τόσο αυτονόητη που δεν αμφισβητήθηκε για δεκαετίες. Όμως, νεότερα δεδομένα και πειράματα αποκάλυψαν μια πιο περίπλοκη πραγματικότητα: οι περισσότεροι πυρήνες δεν είναι σφαιρικοί και στην πραγματικότητα, το σφαιρικό σχήμα αποτελεί την εξαίρεση.
Ο πυρήνας, που αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια, βρίσκεται στο κέντρο του ατόμου και είναι κατά 10.000 φορές μικρότερος από το συνολικό μέγεθος του ατόμου. Όπως αναφέρει ο David Jenkins, πυρηνικός φυσικός από το University of York, ο πυρήνας «μοιάζει με μύγα μέσα σε καθεδρικό ναό». Αν και περιέχει το μεγαλύτερο ποσοστό της μάζας ενός ατόμου, ο πυρήνας επηρεάζει ελάχιστα τις χημικές του ιδιότητες, οι οποίες καθορίζονται από την κατανομή των ηλεκτρονίων.
Το 1949, η επιστήμη προχώρησε στην πρόταση του λεγόμενου πυρηνικού μοντέλου φλοιού (nuclear shell model), σύμφωνα με το οποίο τα πρωτόνια και τα νετρόνια καταλαμβάνουν «φλοιούς» ενέργειας στον πυρήνα, ανάλογα με το πώς καταναλώνεται ή προστίθεται ενέργεια. Ωστόσο, με την πάροδο του χρόνου φάνηκε ότι το μοντέλο αυτό δεν επαρκούσε για να εξηγήσει όλες τις παρατηρήσεις.
Όπως εξηγεί ο Jenkins, οι Φυσικοί διαπίστωσαν πως οι πυρήνες συμπεριφέρονται «συλλογικά» σαν ένα ενιαίο σώμα που μπορεί να δονείται ή να περιστρέφεται. Αυτές οι κινήσεις παράγουν χαρακτηριστικά φάσματα ενέργειας, που μπορούν να εντοπιστούν με φασματοσκοπικές μεθόδους. Αλλά για να εντοπιστεί τέτοια περιστροφική συμπεριφορά, ο πυρήνας πρέπει να μην είναι τέλεια σφαιρικός. Αντιθέτως, η ύπαρξη συγκεκριμένων «ζωνών διέγερσης» έδειξε ότι οι περισσότεροι πυρήνες είναι παραμορφωμένοι.
Από τη δεκαετία του 1950 και έπειτα, πειραματικές μελέτες αποκάλυψαν εντυπωσιακή ποικιλομορφία στα σχήματα των πυρήνων. Από σχήματα που μοιάζουν με αχλάδι μέχρι επιμήκεις ή πεπλατυσμένες δομές τύπου «M&M», οι παραμορφωμένοι πυρήνες είναι ο κανόνας. Περίπου το 90% των γνωστών πυρήνων έχουν το λεγόμενο πεπλατυσμένο σχήμα, δηλαδή είναι ελαφρώς επιμήκεις σαν μπάλα του αμερικανικού φούτμπολ. Αντίθετα, το πλατυσμένο σχήμα (oblate) είναι πιο σπάνιο, ενώ οι απόλυτα σφαιρικοί πυρήνες περιορίζονται σχεδόν αποκλειστικά σε άτομα με «μαγικούς αριθμούς» — δηλαδή πλήρεις φλοιούς πυρηνικών σωματιδίων.
Παραμένει ασαφές γιατί η πεπλατυσμένο μορφή είναι τόσο διαδεδομένη. Ορισμένοι πυρήνες μπορούν να εμφανίζουν παραπάνω από ένα σχήμα, αλλάζοντας μορφή όταν προσλαμβάνουν ενέργεια. Το πιο σπάνιο σχήμα, αυτό του αχλαδιού, εμφανίζεται κυρίως σε συγκεκριμένα ισότοπα γύρω από το στοιχείο ράδιο.
Ο Paul Stevenson από το University of Surrey σημειώνει ότι, παρά τη διαίσθηση πως ένας αδρανής πυρήνας θα έπρεπε να είναι σφαιρικός, η κβαντομηχανική προσφέρει μια διαφορετική ερμηνεία. Η λύση της εξίσωσης του Schrödinger για τον πυρήνα δεν δίνει σφαιρικά αποτελέσματα αλλά ασύμμετρες «κυματομορφές». Η κβαντική ασυμμετρία αυτή οδηγεί τα σωματίδια του πυρήνα να ευθυγραμμίζονται σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση, δημιουργώντας έτσι παραμόρφωση.
Στις σπάνιες περιπτώσεις σφαιρικών πυρήνων, αυτή η «κυματιστή» συμπεριφορά φαίνεται να αλληλοεξουδετερώνεται, αλλά οι επιστήμονες ακόμη δεν έχουν εξηγήσει το γιατί ή αν υπάρχει καθόλου εξήγηση. Όπως επισημαίνει ο Jenkins, οι τελευταίες ανακαλύψεις ανατρέπουν ριζικά τις αρχικές αντιλήψεις για τον πυρήνα του ατόμου και ανοίγουν νέα πεδία ερωτήσεων για τη θεμελιώδη φύση της ύλης.
[via]
