Ατομικοί πυρήνες

Όταν ξεκινήσαμε την κατάδυση στον ατομικό πυρήνα, αρχίσαμε να παρατηρούμε μια σειρά από ιδιότητες που φαίνονταν περίεργες εκείνη τη στιγμή. Εδώ είναι μερικά τέτοια ενδιαφέροντα γεγονότα

Ένα άτομο ηλίου, με τον πυρήνα να προσεγγίζει την κλίμακα  (1 fm=10^-15 m) Η ανακάλυψη ότι τα άτομα είχαν έναν πυρήνα που αποτελείται από δύο διαφορετικούς τύπους σωματιδίων ήταν μια έκπληξη για πολλούς, αλλά άνοιξε το δρόμο για τη σύγχρονη κατανόηση της πυρηνικής φυσικής

Όλοι οι ατομικοί πυρήνες αποτελούνται από δύο τύπους σωματιδίων: πρωτόνια και νετρόνια.

Το νετρόνιο ήταν ελαφρώς βαρύτερο από ένα πρωτόνιο: περίπου 0,1%.

Τα ελεύθερα πρωτόνια είναι σταθερά για πάντα και πάντα.

Τα ελεύθερα νετρόνια είναι ασταθή και θα διασπαστούν με μέση διάρκεια ζωής περίπου 15 λεπτών.

Αν δεσμεύσετε πρωτόνια και νετρόνια μαζί, τότε η συνολική μάζα του νέου πυρήνα είναι μικρότερη από τη μάζα των μεμονωμένων πρωτονίων και νετρονίων.

Και αν τα συνδυάσετε σε συγκεκριμένες αναλογίες τα πρωτόνια – νετρόνια, ορισμένοι ατομικοί πυρήνες θα είναι σταθεροί, ενώ άλλοι θα αποσυντεθούν.

Μια πιθανότητα που έχουμε για αυτή την διάσπαση – γνωστή ως διάσπαση βήτα (επειδή ελευθερώνουν ένα ηλεκτρόνιο) – είναι απλά ότι ένα από τα νετρόνια στον πυρήνα που διασπάται, να μετατρέπεται σε ένα πρωτόνιο, ένα ηλεκτρόνιο (ακτίνες βήτα) και ένα αντι-νετρίνο ηλεκτρονίου.

Το νετρόνιο, που αποτελείται από ένα πάνω και δύο κάτω κουάρκ, είναι ένα από τα σημαντικότερα σύνθετα συστατικά της ύλης στο σύμπαν μας. Το κινούμενο σχέδιο δείχνει την αλληλεπίδραση χρώματος (προσοχή δεν είναι τα πραγματικά χρώματα) μεταξύ κουάρκ σε ένα νετρόνιο με τη βοήθεια των γλουονίων. Τα γλουόνια αντιπροσωπεύονται ως κύκλοι με το χρωματικό φορτίο στο κέντρο και το αντιχρωματικό φορτίο στο εξωτερικό. Βλέπετε την μετατροπή του χρώματος σε ένα βαρυόνιο με τη βοήθεια της ανταλλαγής ενός γλουονίου.

Σχηματική απεικόνιση της βήτα διάσπασης ή αποσύνθεσης ενός πυρήνα σε έναν τεράστιο ατομικό πυρήνα. Η βήτα διάσπαση προχωρά μέσα από τις ασθενείς αλληλεπιδράσεις, μετατρέποντας ένα νετρόνιο σε ένα πρωτόνιο, ένα ηλεκτρόνιο και ένα αντινετρίνο ηλεκτρονίου. Πριν να γνωρίσουμε ή ανιχνεύσουμε το νετρίνο, φάνηκε ότι τόσο η ενέργεια όσο και η ορμή δεν διατηρήθηκαν στις βήτα διασπάσεις

Υπήρχε τότε ένα πολύτιμο μάθημα που έγινε αμέσως εμφανές: κάποια σωματίδια (όπως το νετρόνιο) που είναι ασταθή όταν δεν δεσμεύονται με τίποτα άλλο μπορούν να ξαφνικά γίνουν σταθερά σε μια δεσμευμένη κατάσταση. Τα ελεύθερα νετρόνια μπορεί να μην είναι σταθερά, αλλά τα νετρόνια που δεσμεύονται μέσα στους πυρήνες, από το ήλιο έως το σίδηρο, θα είναι σταθερά για ένα άπειρο χρονικό διάστημα, όσο μπορούμε να το πούμε.

Ο λόγος αυτής της σταθερότητας; Είναι η ποσότητα ενέργειας δέσμευσης (ανά νουκλεόνιο, σε αυτή την περίπτωση) σε σύγκριση με τη διαφορά μάζας / ενέργειας μεταξύ του γονικού σωματιδίου (το νετρόνιο) και των θυγατρικών σωματιδίων (πρωτόνιο, ηλεκτρόνιο και αντι-νετρίνο ηλεκτρονίου). Ένα σταθερό σύστημα που είναι αρκετά σφιχτά δεσμευμένο και σταθερό, είναι πιθανόν να φτιάχνεται από μια συλλογή ασταθών σωματιδίων. Το κλασικό παράδειγμα είναι ένα αστέρι νετρονίων. Αν και το εσωτερικό του κατά 90% είναι εξ ολοκλήρου φτιαγμένο από νετρόνια, η συνδυασμένη βαρυτική και πυρηνική δέσμευση αυτών των σωματιδίων καθιστά όλο το σύστημα σταθερό.

Οι εκρήξεις πολύ υψηλής ενέργειας που προέρχονται από άστρα νετρονίων με εξαιρετικά ισχυρά μαγνητικά πεδία, είναι πιθανόν υπεύθυνες για κάποια από τα σωματίδια κοσμικής ακτινοβολίας πολύ υψηλής  ενέργειας που παρατηρήθηκαν ποτέ. Ένα τέτοιο αστέρι νετρονίων μπορεί να έχει διπλάσια από τη μάζα του Ήλιου μας, αλλά είναι συμπιεσμένο σε όγκο περίπου 2.000 km². Το εσωτερικό κατά 90% ενός αντικειμένου όπως αυτό μπορεί να αντιμετωπιστεί ως ένας μόνο ατομικός πυρήνας που αποτελείται εξ ολοκλήρου από νετρόνια.

Αφού κατανοήσαμε ποιά ήταν η δεσμευτική ενέργεια των πυρήνων ήταν και πώς λειτουργεί, βρήκαμε ένα ολόκληρο  «ζωολογικό κήπο»  σωματιδίων που άρχιζαν να βγαίνουν από τους σωματιδιακούς επιταχυντές. Εκτός από το πρωτόνιο και το νετρόνιο, βρέθηκε επίσης μια βαρύτερη, ασταθής εκδοχή τους – το σωματίδιο Lambda (Λ ⁰ ), 3 ποικιλίες πιονίων, 4 ποικιλίες καονίων, ήτα κλπ.

Μόλις ανακαλύψαμε τα κουάρκ (και αντι-κουάρκ), έχουμε ανακαλύψει σωματίδια όπως: 

• τα βαρυόνια (όπως τα πρωτόνια, τα νετρόνια και το Λ ⁰ , κατασκευασμένα από 3 κουάρκ το κάθε ένα),
• αντιβαρυόνια (κατασκευασμένα από 3 αντίκουρκ),
• μεσόνια (κατασκευασμένα από συνδυασμό κουάρκ-αντικουάρκ),
• τετρακουάρκ (κατασκευασμένες από 2 κουάρκ και 2 αντίκουρκ το καθένα),
• πεντακουάρκ (κατασκευασμένα από 4 κουάρκ και 1 αντικουάρκ),
• και ακόμη και εξακουάρκ (από 6 κουάρκ).
• Το 2014 ανακαλύφθηκε ένα ιδιαίτερα ενδιαφέρον εξακουάρκ γνωστό ως d * , το οποίο αποτελείται από τρία κουάρκ πάνω και τρία κάτω (όπως ένα δευτέριο), αλλά με μια βαρύτερη μάζα.