De atoomkern als kralenketting

Lang niet altijd zijn kernen van atomen bolvormig. Sommige kernen bestaan uit twee druppels die om elkaar draaien. Maar het vreemdst is de kern die eruit ziet als een kralenketting.

Atoomkernen zijn gewoonlijk bolvormig. Deze vorm weerspiegelt de eigenschappen van de kracht die de kerndeeltjes (nucleonen) bijeen houdt. Afwijkingen van deze bolvorm zijn meestal niet groter dan 10 procent.

In de afgelopen jaren heeft de ontdekking dat kernen in een hogere energietoestand veel sterker vervormd kunnen zijn, veel opzien gebaard. Zulke kernen kunnen de vorm hebben van een rugbybal, met een lange as die het dubbele is van die van de korte. Bij de kernen van magnesium blijkt zelfs een verhouding van 1 op 6 mogelijk, een vorm die doet denken aan een kralensnoer.

Schillenmodel

Van de bouw van een atoomkern weten we in feite nog maar weinig af. Dit komt doordat de kern slechts een minuscuul deel is van het atoom als geheel (meer dan 99,9 procent van een atoom is "lege' ruimte) en zelden in wisselwerking treedt met wat zich buiten de omhulling van elektronen bevindt. In eerste instantie bestaat zo'n kern uit protonen en neutronen, maar bij nadere beschouwing blijken beide te zijn opgebouwd uit nog kleinere deeltjes: quarks.

Voor het beschrijven van de bouw van de kern gebruikt men verschillende modellen. Het meest bekend is het schillenmodel, waarin men de kern opgebouwd denkt uit schillen waarin de nucleonen bewegen (naar analogie van de schillen waarin de elektronen rond de kern draaien). Voor vooral de zwaardere kernen gebruikt men het "vloeistofdruppelmodel', waarin men de kernmaterie als een vloeistof via de wetten van de hydrodynamica beschrijft.

Nucleonen draaien in welbepaalde banen om elkaar heen. Paren nucleonen draaien in tegengestelde richting, zodat bij een even aantal nucleonen van elk type de kern als geheel niet draait. Hij bevindt zich dan in zijn laagste energietoestand. We kunnen de kern een rotatie geven, zonder daarbij de banen van de nucleonen te verstoren, door wat energie toe te voeren. Toch draait de kern ten opzichte van de nucleonen erg "traag'. Hij maakt slechts 10²º omwentelingen per seconde.

Fysici weten al meer dan 50 jaar dat atoomkernen niet altijd bolvormig behoeven te zijn. Bij bepaalde combinaties van protonen en neutronen is het voor de kern energetisch gunstiger om een iets andere vorm aan te nemen: de banen van de kerndeeltjes zijn dan wat vervormd. Ook bij een snelle rotatie van de kern als geheel treden er vervormingen op. Zo kunnen atoomkernen de vorm van een peer, rugbybal of discus krijgen. De wetten van de quantummechanica gebieden dat zulke veranderingen abrupt plaatsvinden en niet geleidelijk.

Merkwaardigheden in de vorm van de kern van magnesium-24 (opgebouwd uit 24 nucleonen) werden al zo'n dertig jaar geleden opgemerkt tijdens experimenten met botsende atoomkernen. Uit twee koolstof-12 kernen kon zo magnesium-24 worden gemaakt. Maar bij bepaalde botsingsenergieën bleken twee koolstof-12 kernen zich zodanig samen te voegen, dat zij een langgerekt systeem van twee om elkaar draaiende kernen vormden: een soort moleculen. Maar overtuigend was dit idee nog niet - vele meetresultaten konden ook verklaard worden zonder de vorming van quasi-moleculen. In de loop der jaren bleven er dan ook verschillende interpretaties bestaan.

Onlangs wierpen Britse onderzoekers nieuw licht op de zaak. Deze onderzoekers bestookten met de grote Van de Graaff-versneller op het Daresbury-laboratorium een vast "doelwit' met een bundel magnesium-24 kernen.

Detectoren registreerden de kernfragmenten van die botsingen. In vele gevallen bleken er steeds twee koolstof-12 kernen te verschijnen. Bij terugrekenen werd gevonden dat zij de vervalprodukten waren van supervervormde magnesium-24 kernen, die zich in hogere energietoestanden bevonden en waarschijnlijk uit twee om elkaar heen draaiende koolstof-12 kernen bestonden (Physics Letters B 267, p. 325).

De resultaten waren in overeenstemming met theoretische berekeningen die een aantal leden van de onderzoeksgroep enkele jaren eerder hadden verricht. Die hadden laten zien dat de alfadeeltjes in de magnesium-24 kern (deeltjes die uit groepjes van telkens twee protonen en twee neutronen bestaan) in maar liefst zeven stabiele vormen kunnen voorkomen, voortspruitend uit energetisch gunstige configuraties.

De configuratie die twee koolstof-12 kernen opleverde zou samenhangen met een magnesiumkern met een afplatting van 1:3. Dit wees er op dat er nog sterker vervormde atoomkernen zouden kunnen voorkomen dan de al bekende "supervervormde' kernen. De berekeningen voorspelden zelfs een "hypervervormde' kern met een afplatting van 1:6. De alfadeeltjes zouden zich hierbij op een rij bevinden: als een snoer van kralen.

Theoretische curiositeit

Aanvankelijk werd zo'n snoervorm beschouwd als een theoretische curiositeit. Maar onderzoekers van het Argonne National Laboratory in de Verenigde Staten hebben nu de eerste experimentele aanwijzingen voor het bestaan er van gevonden. Zij produceerden magnesium-24 kernen door een bundel koolstof-12 kernen op een plaatje van koolstof-12 te schieten.

Door het variëren van de botsingsenergie konden zij de magnesiumkernen in zeer uiteenlopende energietoestanden brengen. Eén er van ligt heel dicht bij die van het theoretisch voorspelde "snoermodel'. Als de aldus gevormde "aangeslagen' kern weer uiteen valt, blijken er twee "snoertjes' van elk drie alfadeeltjes te voorschijn te komen. De kernstructuur van zes alfadeeltjes op een rij lijkt dus inderdaad een realiteit te zijn (Phys. Rev. Letters 68, p. 1295).

De onderzoekers zetten nu de jacht op meer van dit soort hypervervormde kernen bij andere atomen voort. Het lijkt er op dat deze onderzoekingen uiteindelijk niet alleen een antwoord zullen geven op de al lang lopende vraag naar het mogelijke bestaan van kernen in molecuulverband, maar ook een rijke verscheidenheid aan vervormde atoomkernen voor verder onderzoek zullen opleveren.