در مدلی جدید خوشه‌بندی پروتون‌ها و نوترون‌ها درون هسته مرکب برانگیخته، که در همان لحظه از برخورد و هم‌جوشی دو هسته تشکیل شده، به تصویر کشیده است.

B. Schuetrumpf and W. Nazarewicz, Phys. Rev. C (2017)

تصاویر ترکیبی از مراحل واکنش: شبیه‌سازی‌ها خوشه‌بندی پروتون‌ها و نوترون‌ها را درون ماده مرکب هسته‌ای، که در همان لحظه از برخورد و هم‌جوشی دو هسته اکسیژن-16 به وجود آمده، نشان می‌دهد. (برای مشاهده انیمیشن این واکنش به اینجا مراجعه کنید).

وقتی دو هسته با انرژی کافی با یکدیگر برخورد می‌کنند، می‌توانند به طور موقت در قالب یک «پیش- ماده مرکب» با عمر کوتاه هم‌جوشی و گداخته شوند که این پیش-ماده مرکب هسته‌هایی در حالت برانگیخته است که می‌تواند به حالت پایدار یا حالت جداسازی‌شده (برای مثال از طریق شکافت) تبدیل و نابود شود. پژوهش‌گران به تازگی روش نظری پیشرفته‌ای را برای محاسبه و تحلیل ساختارهای هسته‌ای که در این زمان بسیار کوتاه تشکیل می‌شوند، ابداع کرده‌اند. این روش جدید نشان می‌دهد گروه‌هایی از پروتون‌ها و نوترون‌ها «خوشه‌هایی» موقتی را تشکیل می‌دهند که شبیه به هسته پایدار کوچک‌تری درون هسته‌های بزرگ‌تر است که به دلیل برخورد تولید‌شده‌اند. درک ساختار این حالت‌های هسته‌ای زودگذر و فانی برای فهم بسیاری از واکنش‌های هسته‌ای (همانند واکنش‌هایی که در ستارگان انجام می‌شود)، و غالباً از طریق آزمایش‌های برخورد هسته‌ای مورد بررسی قرار می‌گیرند، ضروری است.

(برای مشاهده انیمیشن این واکنش به اینجا مراجعه کنید).

B. Schuetrumpf and W. Nazarewicz, Phys. Rev. C (2017)

این انیمیشن واکنش هم‌جوشی را که از برخورد دو هسته اکسیژن-16، با انرژی 20 مگاالکترون-ولت آغاز می‌شود، نشان می‌دهد. شبیه‌سازی‌ها ساختاری نوسانی شامل دو خوشه آلفا (نواحی قرمز در بالا و پایین) و دو خوشه کربن-12 تغییرشکل‌یافته در بالا و پایین مراکز هسته‌ها (مراکز آبی روشن با نواحی قرمز کوچک‌تر در هر طرف) را به نمایش می‌گذارد. رنگ‌ها نشان‌دهنده تابعی است که با نام تمرکزیافتگی-آلفا شناخته می‌شود که نشان می‌دهد پروتون‌ها و نوترون‌ها تا چه حد متمرکز (در مقابل پراکنده بودن) شده‌اند.

(برای مشاهده انیمیشن این واکنش به اینجا مراجعه کنید).

B. Schuetrumpf and W. Nazarewicz, Phys. Rev. C (2017)

تمرکزیافتگی پروتون‌ها و نوترون‌ها در طول واکنش هم‌جوشی-واپاشی که از برخورد هسته‌های کربن-40 با هسته‌های اکسیژن-16 در انرژی 300 مگاالکترون-ولت آغاز شده است.

در نظریه و آزمایش‌های قبلی فرض بر این بود که خوشه‌ها درون پیش‌ماده مرکب وجود دارند. هرچند روش‌های نظری کنونی نمی‌تواند ماهیت این خوشه‌ها را با جزئیات آشکار کند. برای پرداختن به این مسأله، Bastian Schuetrumpf از دانشگاه صنعتی دارمشتات آلمان و Witold Nazarewicz از دانشگاه ایالتی میشیگان در لنسینگ شرقی، از یک ابزار ریاضی کمک گرفتند، که به منظور توضیح آرایش الکترون درون اتم‌ها و مولکول‌ها ابداع شده بود و آن را بر نوکلئون‌های درون هسته برانگیخته اعمال کردند.

پژوهش‌گران واکنش‌هایی را که از برخورد هسته‌های مختلف (اکسیژن، کلسیم و کربن) آغاز شده‌اند، و بسته به انرژی برخوردشان می‌تواند به هم‌جوشی یا واپاشی منجر شود، تحلیل کردند. محاسبات خوشه‌‌هایی شبیه به هسته هلیم-4، کربن-12، منیزیم-24،آرگون-36 را نشان داد. برای مثال دو هسته اکسیژن-16 با انرژی 20 مگاالکترون‌-ولت پیش‌ماده مرکبی را تشکیل داد که ساختار آن بین دو شکل نوسان می‌کرد. یک آرایش شامل دو خوشه کربن-12 تغییرشکل-یافته بود و دیگری همان دو خوشه را با دو ذره آلفا (هسته هلیم-4، انیمیشن اول را ببینید) ترکیب می‌کرد. این مدل می‌تواند از عهده واکنش‌های نامتقارن پیچیده‌تر شامل هسته‌های متفاوت نیز برآید، همانند واپاشیِ پیش‌ماده مرکبی که از برخورد کلسیم و اکسیژن با انرژی 300 مگاالکترون‌ولت (انیمیشن دوم) ایجاد شده است.

این پژوهش در Physical Review C منتشر شده است.

نویسنده: Matteo Rini دستیار ویراستار نشریه فیزیک

منبع: Nu.clear Fusion in Hi-Def