Fizycy wymusili uwolnienie energii ze wzbudzonych jąder atomowych

Jądra atomowe mogą być wzbudzane poprzez wychwyt elektronu na niezapełnioną powłokę elektronową atomu. Proces ten po raz pierwszy pokazano eksperymentalnie. Może to pomóc w opracowaniu bardziej wydajnego sposobu magazynowania energii czy w zrozumieniu procesów zachodzących wewnątrz gwiazd.

Proces wymuszenia uwolnienia energii ze wzbudzonych jąder atomowych fachowo nazywa się NEEC (Nuclear Exciation by Electron Capture). O przeprowadzonym doświadczeniu, które to pokazuje, napisało w lutowym numerze pismo „Nature”.

Współautorami artykułu są polscy naukowcy – prof. dr hab. Marek Polasik z Wydziału Chemii Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu oraz dr Jacek Rzadkiewicz z Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Świerku. Wśród autorów publikacji znalazło się również 16 innych naukowców z Australii, Rosji, Włoch i USA. Nad próbą obserwacji tego zjawiska fizycy z całego świata pracowali od ponad 40 lat.

Polacy uczeniu we współpracy z amerykańskimi kolegami zaprojektowali i przeprowadzili doświadczenie, a następnie zinterpretowali jego wyniki, czego owocem jest publikacja w „Nature”. Eksperyment ten miał miejsce  w USA na liniowym akceleratorze ATLAS w Laboratorium Narodowym w Argonne.

„Zjawisko to zostało po raz pierwszy zarejestrowane dla izotopu molibdenu 93Mo. Jądrowy stan izomeryczny molibdenu 93mMo gromadzi ogromną energię w stosunku do stanu podstawowego, a czas jego połowicznego zaniku wynosi 6,85 godziny. W wyniku zajścia procesu NEEC, izomerycznemu jądru 93mMo zostaje dostarczona niewielka energia, rzędu 4,85 keV, co powoduje jego przejście do innego stanu wzbudzonego – tym razem krótkożyciowego, z czasem połowicznego zaniku rzędu nanosekund. Niemal natychmiast ulega on deekscytacji do stanu podstawowego. W ten sposób dochodzi do uwolnienia energii rzędu 2,5 MeV zgromadzonej pierwotnie w izomerze jądrowym 93mMo, czyli energii 500 razy większej od tej, która została dostarczona” – czytamy na stronach Narodowego Centrum Badań Jądrowych.

– Jądro atomowe w stanie wzbudzonym, może „rozpaść się”, np. emitując promieniowanie gamma, lub też poprzez tzw. konwersję wewnętrzną, czyli poprzez przekazanie przez jądro atomowe energii elektronom z różnych powłok atomowych. W przypadku zjawiska NEEC mamy do czynienia z procesem odwróconym w czasie w stosunku do procesu konwersji wewnętrznej: jądro atomowe ulega wzbudzeniu w wyniku wychwytu elektronu, który przekazuje część swojej energii potrzebnej do wzbudzenia – wyjaśnił w rozmowie z PAP dr Jacek Rzadkiewicz.

Jak opowiada fizyk z NCBJ, charakterystyczną cechą stanu izomerycznego jest fakt, że zgromadzona w nim ogromna ilość energii uwalniana się w postaci małych porcji (kwantów) przez bardzo długi czas. Najdłuższe stany izomeryczne mogą trwać wiele miliardów lat.

Dzisiaj nie potrafimy jeszcze kontrolować uwalniania energii ze stanów izomerycznych, choć już samo zaprezentowanie takiej możliwości jest ogromnym osiągnięciem.

Obserwacje NEEC mogą pomóc zrozumieć procesy zachodzące wewnątrz gwiazd. – Badania nad tego typu procesami mogą też być punktem wyjścia dla badań stosowanych. Ich celem byłoby np. opracowanie metody kontrolowanego uwalniania energii zgromadzonej w izomerach jądrowych, co powinno przyczynić się do rozwoju nowych koncepcji niekonwencjonalnych i ultrawydajnych baterii jądrowych – podkreślił Rzadkiewicz.

 

Źródło: NCBJ, PAP, fot. James J. Carroll, William Parks, and Eric Proctor (U.S. Army Research Laboratory)