Újabb részecskefizikai rejtélyt oldottak meg magyar kutatók segítségével

Maghasadás illusztrációja

A debreceni Atommagkutató Intézet (Atomki) részvételével egy nemzetközi kutatócsoport megoldást talált arra a 40 éve fennálló rejtélyre, hogy miért forognak maghasadás után a hasadványtermékek akkor is, ha az anyamag nem forgott.

A maghasadás vizsgálata ugyan nagy múltra tekint vissza, mégis vannak eddig fel nem tárt, izgalmas jelenségek ebben a témában - írja az Atommagkutató Intézet közleményébe.

Az egyik ilyen a hasadványok pörgő mozgásának eredete. Egy kettéhasadt mag mindkét fele forog még akkor is, ha a szülőmag nem forgott. Ez a jelenség több mint 40 éve ismeretes, de ezidáig nem sikerült megérteni. Különböző elméleti elképzelések versenyeznek egymással, melyek között a kísérleti megfigyelés eddig nem tudott igazságot tenni. Mostanáig egy tekintetben nagyjából egyetértés volt a rivális modellek között:

úgy gondolták, hogy a szülőmagnak a hasadás lezajlása előtti kollektív rezgése felelős a keletkező impulzusmomentumokért.

A Nature folyóiratban február végén megjelent cikk cáfolja a fenti elméletet.

A szerzők, köztük az Atomki egyik munkatársa szerint a perdület nem a hasadás előtt keletkezik, hanem utána.

Maghasadás illusztrációja Forrás: Science Photo Library via AFP/MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/Mark Garlick/Science Photo Libra

A maghasadás

Az atommaghasadást 1938-ban fedezte fel Otto Hahn és Fritz Strassmann uránatommagok vizsgálata közben, elméleti magyarázatot pedig Lise Meitner adott rá. A hasadáskor az atommag két (vagy több) kisebb részre szakad, miközben több-kevesebb neutron is kiszabadul, és a folyamatot gammasugárzás kíséri. A nehéz atommagok hasadása közben energia szabadul fel.

Az atommagok nem mindig ugyanúgy hasadnak, a hasadási termékek sokfélék lehetnek. A maghasadás pillanata előtt az atommag alakja megváltozik: enyhén megnyúlt alakúból erősen megnyúlttá válik, középtájon elkeskenyedik, mondhatni nyaka keletkezik, amely egyre vékonyodik és végül szétszakad. Az, hogy milyen hasadási termékek keletkeznek, attól függ, hogy véletlenszerűen éppen hol szakad el a "nyak".

A maghasadás létrejöhet spontán módon, azaz külső beavatkozás nélkül vagy indukált módon, amikor egy részecske (például neutron) ütközik az atommaggal és ennek hatására az széthasad. A jelenség felfedezése után rövid idővel már az alkalmazás is megszületett: 1942-ben elkészült az első atomreaktor, 1945-ben pedig az első atombomba. Mindkettő a hasadáskor felszabaduló energiát hasznosítja, a különbség az időbeli lefolyásban van.

Az atomreaktorban a hasadás szabályozott körülmények között zajlik, folyamatosan kontroll alatt tartva a láncreakcióban résztvevő hasadómagok számát. Az atomreaktorok nagy része uránt (235U izotópot) használ hasadóanyagként. Ezzel szemben a bomba esetén a láncreakciót nem korlátozzák, így a rövid idő alatti nagyszámú hasadáskor felszabaduló hatalmas energia robbanást idéz elő. Az atombomba legismertebb hasadóanyaga a plutónium (239Pu).

Egy atomerőmű Forrás: Wikimedia Commons

Mi okozza a forgást?

Jelen vizsgálatban a nemzetközi kutatócsoport a franciaországi IJC Laboratóriumban végzett kísérleteknél elemezte a spontán hasadó kaliforniumot (252Cf), valamint a gyorsneutronokkal előidézett indukált hasadást tórium (232Th) és urán (238U) izotópokon. Az előállt nagymennyiségű adat elemzése, azok összehasonlítása az elméleti számítások eredményeivel és a lefuttatott szimulációkkal végül arra a következtetésre vezette a kutatókat, hogy a maghasadásban keletkezett két hasadvány forgása független egymástól, az atommag széthasadása után statisztikus módon alakul ki.

Tehát a hasadványok forgó mozgásáért nem a maghasadás előtt bekövetkező kollektív rezgés a felelős.

Magyarázatuk szerint a maghasadás előtt a szétválóban lévő részeket összekötő "nyak" először megnyúlik, majd elszakad, végül a szétszakadt, deformált hasadványok elnyerik gömbölyded alakjukat. Eközben - hasonlóan a szakadásig megnyújtott gumiszalaghoz - a kezdetben a megnyúlt nyakban tárolt potenciális energia átalakul mozgási/forgási energiává.

A cikk szerint a hasadványok forgása attól függ, hogy a hasadási folyamatban befűződő nyakban hány nukleon kap helyet és pontosan hol történik a szakadás. A cikk eredménye fontos a maghasadás jobb megértése és elméleti leírása, a neutrongazdag izotópok felépítésének tanulmányozása, a szupernehéz atommagok keletkezésének és stabilitásának megértése szempontjából, továbbá az atomreaktorokban a hasadáskor fellépő gamma-sugárzás által okozott melegedési probléma miatt.