Een voorstelling van de twee vormen die de atoomkern van kwik kan aannemen.  Krystof Dockx

Voetbal of rugbybal? Kernfysici ontrafelen raadsel van de opgeblazen atoomkernen van kwik-isotopen

Als je uit de atoomkern van kwik een deeltje wegneemt, wordt die kern soms plots veel groter in plaats van kleiner. De kern met de vorm van een voetbal blaast zichtzelf op tot een rugbybal. Dat bijzondere fenomeen werd al in de jaren 70 vastgesteld bij bepaalde varianten - isotopen - van kwik en bleef ondanks veel onderzoek een raadsel. Een internationaal onderzoeksteam met onder andere de KU Leuven en het CERN, heeft nu, na bijna 50 jaar, ontdekt hoe en waarom het fenomeen plaatsvindt. Mogelijk kan dat gevolgen hebben voor de productie van radio-isotopen die gebruikt worden in de medische sector. 

De kern van een atoom bestaat uit protonen – zeer kleine, positief geladen deeltjes – en neutronen die niet elektrisch geladen zijn. Bij elk element uit de tabel van Mendelejev staat het aantal protonen vast, maar het aantal neutronen in de kern bestrijkt een bepaalde reikwijdte. De varianten met een verschillend aantal neutronen in de kern noemt men isotopen. 

De eigenschappen van verschillende isotopen kunnen op een aantal manieren gebruikt worden, onder meer voor archeologische en historische dateringen, met de C14-datering of koolstofdatering op basis van de koolstof-14-isotoop, en in de medische diagnostiek. 

Stabiele isotopen hebben een optimale verhouding van protonen tegenover neutronen. Als het aantal neutronen echter vermindert of toeneemt, zijn er structurele veranderingen van de atoomkern nodig, en een kenmerkend gevolg daarvan is dat de isotoop instabiel wordt. Dat houdt in dat de isotoop zich spontaan omzet in een stabiele isotoop van een ander element door radioactief verval. Typisch voor isotopen met een extreme verhouding tussen het aantal neutronen en protonen is dat ze een zeer korte levensduur hebben, wat het moeilijk maakt om ze te produceren en te bestuderen in een laboratorium.

De enige plaats ter wereld waar een breed gamma van dergelijke "exotische" isotopen bestudeerd kunnen worden, is ISOLDE, (Isotope Separator On Line DEvice). De ISOLDE Radioactive Ion Beam Facility is een "On-Line Isotope Mass Separator" – een isotopenscheider -, die radioactieve ionenstralen produceert en gevestigd is in het CERN, het Europese Centrum voor Nucleair Onderzoek.

De bundellijn aan ISOLDE waar het experiment uitgevoerd werd. © KU Leuven

Kwik-isotopen gedragen zich vreemd

Kwik (Hg) heeft altijd 80 protonen, en het aantal neutronen varieert voor zover bekend tussen 91 en 136. Dat geeft dus tientallen kwik-isotopen, die aangeduid worden met het symbool 171Hg tot 216Hg: het cijfer staat voor het "massagetal", de som van de protonen en neutronen.

Bij een van de eerste experimenten in de ISOLDE-faciliteit observeerde men voor het eerst een dramatische verandering in de vorm en de grootte van de atoomkern in de reeks kwik-isotopen. Zo telt de kern van isotoop 185Hg 80 protonen en 105 neutronen, een neutron minder dan de kern van 186Hg, maar toch is de kern van 185Hg groter dan die van 186Hg. Hoewel er een deeltje verdwenen is, is de kern dus toch groter. Ook bij de isotopen met 101 en 103 neutronen, 181Hg en 183Hg, is dat het geval, en de kernen zijn ook langwerpiger en hebben de vorm van een rugbybal, terwijl de andere kernen rond zijn en de vorm van een voetbal hebben. 

Die ontdekking blijft ook na meer dan 40 jaar een paradepaardje van ISOLDE, en ze was zo spectaculair dat ze moeilijk te geloven was. Vier decennia van meetcampagnes en theoretisch werk leverden belangrijke bijdragen en een aantal theorieën om het onderliggend mechanisme van dit vreemde fenomeen te ontrafelen, maar tot op heden was er geen sluitend antwoord.

En ook was 181Hg het lichtste isotoop dat men kon bestuderen, omdat het signaal van lichtere kwik-isotopen te zwak was om het op te meten. Daardoor was het niet duidelijk of 181Hg het lichtste isotoop was dat zich vreemd gedroeg, of dat ook nog lichtere isotopen dezelfde elliptische atoomkern hadden. 

Verschillende lasers voor de laser-ionisatie-spectroscopie van de kwik-isotopen (Foto:  © KU Leuven).

Nieuwste technieken

Door verschillende nieuwe technieken te combineren, de nieuwste ontwikkelingen op het gebied van radioactieve bundel productie, laser ionisatie, ion manipulatie en detectie, is het internationaal team erin geslaagd nu de oude bevindingen te bevestigen en uit te breiden. 

"We hebben de Leuvense techniek van laserspectroscopie en alfaverval gecombineerd met andere technieken", zei kernfysicus Piet Van Duppen van het Instituut voor Kern- en Stralingsfysica van de KU Leuven in een persmededeling. "Die combinatie gaf ons nieuwe mogelijkheden om in het CERN verder te experimenteren met kwikatomen die slechts in uiterst kleine hoeveelheden geproduceerd kunnen worden."

Het team reproduceerde de resultaten van het historisch experiment, en observeerde isotopen tot 181Hg, maar bovendien wist men ook vier bijkomende lichtere exotische isotopen te produceren en te bestuderen, 177Hg, 178Hg, 179Hg en 180Hg. Die bleken alle vier de normale ronde atoomkern te hebben. 

“We hebben bewezen dat de atoomkern van kwik alleen bij drie isotopen – bij 185Hg, 183Hg en 181Hg – groter wordt. Enkel in die drie gevallen blaast de kern zich bij wijze van spreken op tot een rugbybal. Als we de andere isotopen van kwik met telkens een neutron minder bekijken, blijft de kern de vorm van een voetbal behouden”, zo zei professor Van Duppen. 

Een voorstelling van de ronde en de elliptische atoomkernen (Illustratie: © KU Leuven, Instituut voor Kern- en Stralingsfysica).

Vier aangeslagen protonen

De experimentele observaties waren op zich al bijzonder, maar het team wou het verhaal afronden met een theoretische verklaring voor de verandering van de vorm van de atoomkernen. Daarvoor voerde de groep van professor Taka Otsuka, van de universiteit van Tokyo en de KU Leuven, met een van de krachtigste supercomputers - de K computer in Kobe  in Japan ‐ de meest ambiteuze schillenmodelberekeningen tot nu toe uit.

“Protonen en neutronen zitten in verschillende schillen in de kern. Telkens als er een neutron verdwijnt, worden de posities in de banen herschikt. In drie gevallen leidt dat tot een andere vorm van het kwikatoom: ovaalvormig in plaats van bol”, zei Thomas Cocolios van het Instituut voor Kern- en Stralingsfysica. 

De resultaten van de berekeningen met de supercomputer stemmen zeer goed overeen met de experimentele data en ze identificeren de microscopische componenten die achter de verandering van vorm zitten. Het gaat om vier protonen die aangeslagen of geëxciteerd worden tot over het niveau dat voorspeld werd door de verwachtingen van hoe andere stabiele isotopen in het nucleaire lanschap zich gedragen. Die vier protonen verbinden zich met acht neutronen en dat drijft de verandering aan tot de uitgerekte vorm van de kern.

Het is zelfs zo dat de beide vormen van de kern mogelijk zijn voor elke isotoop van kwik, afhankelijk van of het zich in de grondtoestand of in een aangeslagen toestand bevindt. Veruit de meeste isotopen hebben een kern in de vorm van een voetbal in de grondtoestand, en de verrassing is dat de natuur de langwerpige vorm van een rugbybal kiest als de grondtoestand voor drie van de isotopen, zo zeggen de onderzoekers. 

Een ander zicht op de lasers die bij het experiment gebruikt zijn (Foto: CERN).

Mogelijke praktische toepassingen

De studie is een oplossing voor een meer dan 40 jaar oud vraagstuk in de kernfysica, en de specifieke wisselwerking tussen de protonen en de neutronen van de atoomkern is ook belangrijk om de voorspellingen betrouwbaarder te maken van de eigenschappen van atoomkernen die in krachtige sterexplosies aangemaakt worden. Dat is nodig om de aanmaak van de elementen in de sterren beter te kunnen begrijpen.

Daarnaast biedt de nieuwe technologie die hierbij gebruikt is, ook mogelijkheden voor andere toepassingen, volgens Cocolios. “ De gebruikte techniek in het CERN kan belangrijk zijn voor de productie van radio-isotopen – deeltjes die radioactieve straling uitzenden – die volop gebruikt worden in de medische sector.”

De studie van het internationaal team van wetenschappers uit België, Duitsland, Groot-Brittannië, Zwitserland en Japan is gepubliceerd in "Nature Physics".