ATOOMKERM LOOD-186 HEEFT VORM VAN BOL, DISCUS OF RUGBYBAL

De atoomkern van lood-186, een radioactieve variant van lood bestaande uit 82 protonen en 104 neutronen, heeft in zijn laagste energietoestanden de vorm van respectievelijk een bol, een discus en een rugbybal. Dit concludeert een internationale onderzoeksgroep onder leiding van prof.dr. Mark Huyse van de Universiteit van Leuven aan de hand van experimenten die zijn uitgevoerd met de zware-ionenversneller van het Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt (Nature, 25 mei).

Een atoomkern bestaat uit positief geladen protonen en ongeladen neutronen, deeltjes die bijeen worden gehouden door de sterke kernkracht. Alleen bepaalde aantallen protonen en neutronen leveren stabiele kernen op. In andere gevallen is de kern radioactief en vervalt (in een of meer stappen) onder uitzending van straling naar een stabiele configuratie. In de praktijk blijken bepaalde aantallen protonen en neutronen (8, 20, 28, 50, 82, 126: de zogeheten magische getallen) uitgesproken stabiele kernen op te leveren. Dergelijke kernen hebben doorgaans een bolvorm.

Lood-186 heeft 82 protonen en 104 neutronen en is sterk radioactief. Omdat het aantal neutronen precies tussen twee magische getallen in ligt, kan deze kern fysici bij uitstek inlichten over de vraag hoe de balans eruit ziet tussen het interne gedrag van individuele protonen en neutronen en het collectieve gedrag van de kern als geheel. Zodra een atoomkern energie krijgt toegevoerd, kunnen er rotaties en trillingen ontstaan, de banden tussen paren protonen of neutronen kunnen verbroken raken en de kern kan een andere vorm krijgen. Meestal kost de laatste mogelijkheid de meeste energie. Het unieke van lood-186 is dat hier de verandering van bolvorm naar discus en rugbybal verhoudingsgewijs de minste energie kost.

De experimenten met lood-186 in Darmstadt begonnen met het maken van de atoomkern polonium-190. Dit werd bereikt door in een versneller chroomionen te schieten op een trefplaatje met neodym-142. Een lastig proces, en in de praktijk werden er niet meer dan 300 poloniumkernen per uur geproduceerd. Iedere 10 seconden leidde dit tot een verval naar het gewenste lood-186. Parallel aan dit proces ontstaan enorme hoeveelheden ongewenste radioactieve bijproducten, samen een miljoen keer zoveel. De grote uitdaging voor de groep van Huyse was in deze zee van ruis de loodkernen eruit te pikken.

Dit lukte met het SHIP-snelheidsfilter (Separator for Heavy Ion Production), speciaal ontwikkeld in het kader van het onderzoek naar superzware atoomkernen (waarmee het laboratorium in Darmstadt voorop loopt). De aldus geïsoleerde poloniumkernen werden vervolgens een detector ingestuurd en na een week meten bleken ze naar drie vormen van lood-186 te zijn vervallen. Analyse van de data bracht in combinatie met theoretische berekeningen aan het licht dat de laagste energietoestand van lood-186 bolvormig is, met daar direct boven de discus- en rugbybal-vorm.