Raskaiden alkuaineiden ytimet litistyvät lätyiksi ja venähtävät sikareiksi. Nyt uudet muodot osataan mitata.



Sisältö jatkuu mainoksen alla

TEKSTI:Risto Varteva

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Raskaiden alkuaineiden ytimet litistyvät lätyiksi ja venähtävät sikareiksi.
Nyt uudet muodot osataan mitata.

Julkaistu Tiede-lehdessä

8/2000


Atomin ydin piirretään yleensä pallomaiseksi, mutta kukaan ei ole nähnyt ytimen muotoa. Pallomaisuus ei kuitenkaan ole pelkkä arvaus, sillä ytimen sisäisten vetovoimien takia on luontevaa olettaa, että ydin vetäytyy palloksi samaan tapaan kuin vesimolekyylien väliset voimat vetävät pisaran palloksi.

Toisaalta ydinfyysikot ovat voineet laskea, että hyvin raskailla alkuaineilla pallomainen ydin ei voi pysyä koossa. Kun ytimessä on kymmeniä protoneja, niiden välinen sähköinen poistovoima voi jo ylittää niin kutsutun vahvavoiman, joka pitää ytimen protoneja ja neutroneja yhdessä.

Hyvin raskaissa ytimissä vahvavoima pystyy kuitenkin pitämään sähköisen poistovoiman kurissa, jos ytimet venähtävät pitkulaisiksi tai litistyvät kiekkomaisiksi.

Mutta miten näitä ytimiä päästäisiin näkemään? Valon avulla siitä ei ole toivoakaan, sillä yhden valoaallon matkalle mahtuisi sata miljoonaa atomiydintä. Siinä eivät ytimen yksityiskohdat erottuisi. Se ei onnistuisi röntgensäteillä eikä edes gammasäteillä, sillä nekin ovat tuhat kertaa ytimen läpimittaa pidempiä.

Nykivä pyöriminen paljastaa 

Silti juuri gammasäteistä löytyy ratkaisu. Ytimen muoto voidaan päätellä siitä, miten ydin muuttaa pyörimistään. Pyörimistäkään ei nähdä suoraan, mutta joka kerta, kun siinä tapahtuu muutos, ydin menettää energiaa gammasäteilynä, joka voidaan mitata.

Sen jälkeen tarvitsee vain laskea, minkä muotoinen ydin on, jotta sen pyörimismäärän muutos, pyörimisenergian muutos ja lähteneen gammasäteen energia sopivat yhteen.

Yksinkertaista, eikö totta!

Käytännössä tutkittavat ytimet on ensin tuotettava törmäyttimellä, joka synnyttää valtavan määrän myös muita radioaktiivisia ytimiä. Mittareihin tulee silloin todellinen gammasäteiden sekamelska.

Tutkittavat ytimet on siis ensin erotettava näistä kaikista muista ytimistä.

Se osataan Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksessa. Sinne on rakennettu 20 tonnia painava Ritu, joka pystyy keräämään talteen kaikki halutut ytimet, vaikka niitä verhoavien elektronien määrä vaihtelisi. Ritu on yksi maailman tehokkaimmista erottimista; vanhoilla keinoilla talteen saatiin vain pieni osa törmäyttimen tuottamista ytimistä.

Ritu säädetään ohjaamaan omaan paikkaansa juuri ne ytimet, joiden muotoa halutaan tutkia. Yhdestä ytimestä tulee gammasäteitä kuin kosmisesta konekivääristä jopa kymmeniä peräkkäin sekunnin miljardisosassa, mutta kun niiden energia ja tarkka ajoittuminen saadaan selville, voidaan ytimen muoto laskea.

Lyijyllä eniten muotoja

Toistaiseksi monipuolisin ydin on ollut lyijyisotoopin Pb-186:n ydin, joka voi asettua palloksi, lätyksi tai sikariksi. Mieluiten se olisi pallo, koska silloin se on asettunut energiatiloistaan alimpaan.

Silti se voi jäädä myös maapallon tapaisesti päiväntasaajalta pullistuneeksi lätyksi. Silloin sen energia on hieman suurempi kuin pallomaisena, mutta koska lätty-ydin on eräänlaisessa energiakuopassa, se tarvitsee ulkoisen sysäyksen päästäkseen energiakuopasta pois ja jälleen pallon muotoon.

Vielä enemmän energiaa kuin lättymuodossa on sikarinmuotoisessa lyijy-ytimessä, joka sekään ei omin voimin pääse alempiin energiatiloihin - paitsi jos odotetaan niin pitkään, että kvanttifysiikan satunnaisuudet päästävät sen lainaenergialla pinteestä.

Gamma Girls tuntee ytimet

Ydinten muodon tutkiminen on niin kiehtovaa, että siitä on tehty Jyväskylässä jo useita väitöskirjoja. Jyväskylän ydin- ja materiaalifysiikan ohjelma on myös Suomen Akatemian huippututkimusyksikkö.

Viimeksi ytimistä väitteli tohtoriksi Maarit Muikku syyskuun lopulla. Muikku on yksi fysiikan laboratorion maineikkaasta Gamma Girls -triosta.

- Gamma Girls syntyi vuosia sitten tavallaan itsestään, kertoo Muikku, joka nykyisin työskentelee Englannissa Daresburyn laboratoriossa.

- Olin Päivi Jämsenin kanssa tekemässä gradua gammaspektroskopiaryhmässä, jossa myös samaan aikaan aloitti jatko-opintonsa Kerttuli Helariutta Teknillisestä korkeakoulusta.

- Gamma Girls siis muodostui meistä kolmesta naisydinfyysikosta. Sitten kokoonpano muuttui, kun Jämsen siirtyi yliopistossa muihin tehtäviin. Duo-vaihetta kesti hetken, kunnes Päivi Nieminen tuli tekemään väitöskirjaa gammaryhmään. Silloin Gamma Girls täydentyi jälleen trioksi.

Helariutta on erikoistunut poloniumytimien, Nieminen vismuttiytimien ja Muikku elohopea- ja lyijy-ytimien rakenteeseen. Helariutta väitteli tohtoriksi syksyllä 1999, ja Niemisen väitöstilaisuus on tulossa.


Sisältö jatkuu mainoksen alla