Az ELKH Atommagkutató Intézet (ATOMKI) kutatóját is a tagjai között tudó nemzetközi kutatócsoport a rangos Nature folyóiratban publikált a közelmúltban egy cikket, amely egy negyven éve fennálló rejtély megoldását írja le. A kutatók megfejtették, hogy miért forognak maghasadás után a hasadványtermékek akkor is, ha az anyamag maga eredendően nem forgott. A nemzetközi konzorcium erről szóló tanulmánya bebizonyította, hogy a folyamat során keletkezett két hasadvány forgása egymástól független, és a korábbi feltételezésekkel szemben azok a hasadás után pörögnek fel.

Az atommagokat felépítő protonok és neutronok (együttesen: nukleonok) között vonzó és taszító kölcsönhatások lépnek fel. A protonok pozitív töltésűek, ezért ezek elektromosan taszítják egymást. A neutronok viszont semlegesek, így közöttük nincs elektrosztatikus kölcsönhatás (azaz Coulomb-kölcsönhatás). A természetben előforduló atommagok nagy része mégis stabil: a bennük lévő protonok nem szaladnak szét, a taszítás ellenére sem. Ennek az az oka, hogy az atommagot felépítő nukleonok között egy másik, igen rövid hatótávolságú, de rendkívül erős vonzó kölcsönhatás is fellép, amelyet magerőnek nevezünk. Az atommagok stabilitását tehát a taszító elektromos és a vonzó nukleáris erő összjátéka alakítja ki. Nagyon nehéz atommagok azért nem léteznek, mert a Coulomb-taszítás felhasítja őket.

Az atommaghasadást Otto Hahn és Fritz Strassmann fedezte fel 1938-ban, uránatommagok vizsgálata közben; elméleti magyarázatot pedig Lise Meitner adott a jelenségre. A hasadás során az atommag két (vagy több) kisebb részre szakad, miközben több-kevesebb neutron is kiszabadul, a folyamatot pedig gamma-sugárzás kíséri. A nehéz atommagok hasadása közben energia szabadul fel. Az atommagok nem mindig ugyanúgy hasadnak, és a hasadási termékek is sokfélék lehetnek. A maghasadás pillanata előtt az atommag alakja megváltozik: enyhén megnyúlt alakja erősen megnyúlttá válik, középtájon elkeskenyedik, mondhatni nyaka keletkezik, amely egyre vékonyodik, majd végül szétszakad. Az, hogy milyen hasadási termékek keletkeznek, attól függ, hogy véletlenszerűen éppen hol szakad el ez a „nyak”.

Korábban a maghasadástól élesen elválasztották a radioaktív bomlást. Az elsőként felfedezett radioaktív bomlások során az atommagból 4He-részecske (alfa-sugárzás), elektron (béta-sugárzás) vagy foton (gamma-sugárzás) lép ki. Az úgynevezett egzotikus radioaktivitás nehezebb magok kibocsájtását jelenti (például C, Ne, Mg). Ennek a felfedezése közelebb hozta egymáshoz a maghasadás és a radioaktivitás jelenségét.

A neutron által indukált maghasadás folyamata: egy neutron ütközik a nehéz uránatommaggal és elnyelődik benne; az eggyel több neutront tartalmazó gerjesztett atommag deformálódik, majd széthasad; néhány neutron szabaddá válik; a folyamatot gamma-sugárzás kíséri; a maghasadás közben energia szabadul fel (Kép forrása: https://chem.libretexts.org/@go/page/83458)

A maghasadás létrejöhet spontán módon, azaz külső beavatkozás nélkül vagy indukált módon, amikor egy részecske (például neutron) ütközik az atommaggal, és ennek hatására az széthasad. A jelenség felfedezése után nem sokkal már az alkalmazása is megszületett: 1942-ben elkészült az első atomreaktor, 1945-ben pedig az első atombomba. Mindkettő a hasadás során felszabaduló energiát hasznosítja, a különbség az időbeli lefolyásban van. Az atomreaktorban a hasadás szabályozott körülmények között zajlik, folyamatosan kontroll alatt tartva a láncreakcióban részt vevő hasadó magok számát. Az atomreaktorok nagy része uránt (235U izotópot) használ hasadóanyagként. Ezzel szemben a bomba esetén a láncreakciót nem korlátozzák, így a rövid idő alatt végbemenő nagyszámú hasadás során felszabaduló hatalmas energia robbanást idéz elő. Az atombomba legismertebb hasadóanyaga a plutónium (239Pu).

A maghasadás vizsgálata ugyan nagy múltra tekint vissza, mégis vannak eddig fel nem tárt, izgalmas jelenségek a témában. Az egyik ilyen jelenség a hasadványok pörgő mozgásának az eredete. Egy kettéhasadt mag mindkét fele forog még akkor is, ha a szülőmagnak nem volt impulzusmomentuma, azaz nem forgott. Ez a jelenség több mint 40 éve ismeretes, de eddig még nem sikerült megérteni az okát. Régóta különböző elméleti elképzelések versenyeznek egymással, melyek között a kísérleti megfigyelés ez idáig nem tudott igazságot tenni. Mostanáig azonban egy tekintetben nagyjából egyetértés volt a rivális modellekkel kapcsolatban: a kutatók úgy gondolták, hogy a szülőmagnak a hasadás lezajlása előtti kollektív (együttes) rezgése felelős a keletkező impulzusmomentumokért.

A kutatók egy hétköznapi hasonlattal szemléltetik a jelenséget: ha az egymás mellett lévő hintákon a gyerekek egymással összehangoltan hintáznak, akkor kollektív lengést végeznek. Ha nincsenek összehangolva, akkor egymástól függetlenül, össze-vissza lengenek. Az atommagban lévő nukleonok alapvetően egymástól függetlenül rezegnek, de bizonyos körülmények között összehangolt, kollektív rezgést is végezhetnek.

A Nature folyóiratban nemrég megjelent cikk azonban cáfolja a fenti elméletet. A szerzők – köztük az ATOMKI egyik munkatársa – szerint a perdület (impulzusmomentum) nem a hasadás előtt keletkezik, hanem utána.

A nemzetközi kutatócsoport a franciaországi IJC Laboratóriumban végzett kísérletek keretében a spontán hasadó kaliforniumot (252Cf), valamint a tórium- (232Th) és uránizotópokon (238U) gyorsneutronokkal előidézett indukált hasadást vizsgálta. A keletkező hasadványok forgása nagyon hamar, néhány nanoszekundum (10-9 s) alatt megszűnik, mert a hasadvány gamma-sugárzás kibocsájtása révén igyekszik megszabadulni a felesleges energiájától. A mérések során ezt a gamma-sugárzást detektálták. Az előállt nagymennyiségű adat elemzése, illetve azoknak az elméleti számítások eredményeivel és a lefuttatott Monte-Carlo-szimulációkkal történő összehasonlítása végül arra a következtetésre vezette a kutatókat, hogy a maghasadásban keletkezett két hasadvány forgása egymástól független, és az atommag széthasadása után statisztikus módon alakul ki. Tehát a hasadványok forgó mozgásáért nem a maghasadás előtt bekövetkező kollektív rezgés a felelős. A magyarázat a következő: A maghasadás előtt a szétválóban lévő részeket összekötő nyak először megnyúlik, majd elszakad, végül a szétszakadt, deformálódott hasadványok elnyerik gömbölyded alakjukat. Eközben – hasonlóan a szakadásig megnyújtott gumiszalaghoz – a kiinduláskor a megnyúlt nyakban tárolódó potenciális energia mozgási/forgási energiává alakul át.

A cikk szerzői szerint a hasadványok forgása attól függ, hogy a hasadási folyamat során befűződő nyakban hány nukleon kap helyet, és pontosan hol történik a szakadás. Klasszikus esetben a nyak a leggyengébb helyen, a közepén szakadna el – viszont az atomok világában a szakadás, ha nem is egyenlő valószínűséggel, de bárhol bekövetkezhet. Amikor a szakadás megtörténik, a nyakat alkotó nukleonok értelemszerűen távol vannak a keletkező hasadvány tömegközéppontjától, azonban igyekeznek minél közelebb kerülni hozzá, felvéve így a gömbölyded magalakot. A közeledés nem pontosan tömegközépponti irányban történik, hanem a szakadás véletlen jellegének köszönhetően valamelyik irányba attól kissé eltérően. Ennek következményeként a hasadvány forogni kezd – mint amikor a focista kissé oldalt rúg a labdába, és ezzel bepörgeti azt. A keletkező két hasadványban az eltérő számú nyaki nukleonok a véletlenszerű elhelyezkedésük révén különböző mértékű és különböző irányultságú pörgést hoznak létre, miközben természetesen nem sérül az impulzusmomentum (perdület) megmaradásának törvénye. Ez a modell megmagyarázza tehát a kutatók mostani megfigyeléseit.

A cikk eredménye fontos a maghasadás jobb megértése és elméleti leírása, a neutrongazdag izotópok felépítésének tanulmányozása, valamint a szupernehéz atommagok keletkezésének és stabilitásának a megértése szempontjából, továbbá releváns az atomreaktorokban a hasadás során fellépő gamma-sugárzás által okozott melegedési probléma szempontjából is.

A publikáció elérhető angolul ezen a linken.