Fyzici získali zatím nejpřesnější údaj o velikosti jádra hélia  
Jak změřit atomové jádro s extrémní přesností? Švýcarský tým vyměnil dva elektrony v atomu helia za jediný mion. Miony jsou leptony se záporným elektrickým nábojem, jako elektrony, jen asi dvěstěkrát těžší. Právě to umožnilo nesmírně přesně změřit velikost jádra helia. Měří 1,67824 femtometru.
Výbojka s heliem. Kredit: Pslawinski / Wikimedia Commons.
Výbojka s heliem. Kredit: Pslawinski / Wikimedia Commons.

Hélium je ve vesmíru všudypřítomné a po vodíku je to druhý nejhojnější prvek ze všech. V mnoha ohledech je velmi důležité, samozřejmě včetně toho, že s ním lze vyrobit balonky, které se vznášejí. Fyzici usilují o to, aby co nejlépe znali všechny možné parametry hélia, protože mohou mít dalekosáhlé důsledky.

 

Aldo Antognini ze švýcarského institutu Paul Scherrer Institute spolu s mezinárodním týmem odborníků změřili velikost jádra hélia se zatím největší přesností v historii. Dospěli k tomu, že jádro helia měří 1,67824 femtometru, tj. deset na mínus patnáctou metru. Tento údaj je přitom asi 4,8 přesnější než dosavadní známá hodnota. Výsledky extrémního měření uveřejnil časopis Nature.

 

Aldo Antognini. Kredit: Paul Scherrer Institute.
Aldo Antognini. Kredit: Paul Scherrer Institute.

Atom helia, v podobě nejběžnějšího izotopu, tvoří dva kladně nabité protony se dvěma neutrony, kolem nichž obíhají dva záporně nabité elektrony. Neutrony nemají elektrický náboj, ale přispívají ke stabilitě jádra. Jádra atomů, helium nevyjímaje, nejsou žádné pevné, přesně ohraničené entity. Částice, které jádro tvoří, nejsou ledově nehybné. Jádro proto nemá jasně vytyčenou hranici a jeho velikost vědci odhadují z interakcí mezi jádrem jako celkem a záporně nabitými částicemi, obvykle elektrony. Což není úplně jednoduché.

 

Při novém měření velikosti jádra Antognini a spol. vyměnili v atomu helia oba elektrony za jediný mion. Miony jsou leptony, stejně jako elektrony a jsou rovněž záporně nabité. Rozdíl je v tom, že miony jsou asi 200krát těžší než elektrony.

Paul Scherrer Institute, logo.
Paul Scherrer Institute, logo.

A právě to usnadnilo fyzikům jejich ultrapřesná měření. Jak uvádí Antognini, mionické helium jim umožnilo důkladně prostudovat strukturu jádra atomu hélia a jeho vlastnosti. Podobný přístup byl použit před pár lety pro měření velikosti protonu, byť ta skončila kontroverzí.

 

Nový údaj o velikosti jádra atomu helia není žádným překvapením. Ani nepřináší novou fyziku, bohužel. Je to zpřesnění dosavadních měření. To ale neznamená, že by takový výzkum byl k ničemu. Jak zdůrazňují autoři, jejich výsledky bude možné využít v řadě dalších studií. Velikost jádra hélia je v mnoha aspektech, v celé řadě modelů a hypotéz jaderné fyziky klíčová.

 

Literatura

Paul Scherrer Institute 27. 1. 2021.

Nature 589: 527–531.

Datum: 02.02.2021
Tisk článku

Chemie pro čtyřletá gymnázia - 2.díl - Mareček Aleš, Honza Jaroslav
 
 
cena původní: 165 Kč
cena: 147 Kč
Chemie pro čtyřletá gymnázia - 2.díl
Mareček Aleš, Honza Jaroslav
Související články:

Průlomové měření částice: Jaký je tlak uvnitř protonu?     Autor: Stanislav Mihulka (22.05.2018)
Fyzici poprvé změřili geometrii elektronu, ve kvantové tečce     Autor: Stanislav Mihulka (25.05.2019)
Spektrometr KATRIN provedl první „vážení“ nejlehčí známé částice - neutrina     Autor: Vladimír Wagner (16.09.2019)



Diskuze:

Zmerali presne toto

Peter Kuljaček,2021-02-04 12:59:11

Merania Krautha a jeho kolegov môžu byť tiež použité na vylepšenie modelov jadrovej štruktúry ab initio. Zatiaľ čo atómová štruktúra je určená dobre pochopenou elektromagnetickou interakciou, jadrová štruktúra je riadená silnou jadrovou silou, ktorá je oveľa zložitejšia. Protóny a nenabité neutróny v jadre, súhrnne nazývané nukleóny, majú zložitú vnútornú štruktúru. Každý nukleón je tvorený tromi základnými časticami, nazývanými kvarky, ktoré sú navzájom spojené silnou silou. Samotné jadro je viazané zvyškovou silnou silou, ktorá pretrváva za hranicami nukleónov a pôsobí iba na vzdialenosti menšej ako jeden femtometer (10–15 m).

Fyzici zatiaľ nemajú teóriu, ktorá by dokázala vysvetliť jadrovú štruktúru na základe popisu na úrovni kvarku. Namiesto toho sa spoliehajú na modely jadrovej štruktúry ab initio, ktoré berú do úvahy „efektívne“ sily medzi jednotlivými nukleónmi. Formulácia týchto modelov vyžaduje znalosť niektorých kľúčových parametrov, ktoré popisujú ľahké jadrové systémy. Ako taký parameter môže slúžiť teraz získaný polomer náboja a-častice.


To je citát z článku:
https://www.nature.com/articles/d41586-021-00120-0

Odpovědět

Nešlo by to trochu lépe?

Kamil Kubů,2021-02-03 12:27:45

To by ten článek byl méně zajímavý, kdyby se v něm používaly trochu přesnější formulace, které popisují daný objev?

"Dospěli k tomu, že jádro helia měří 1,67824 femtometru" - Na šířku? Na délku? Průměr? Hlavní poloosa elipsoidu? Formulace "Jádro proto nemá jasně vytyčenou hranici a jeho velikost vědci odhadují" jasně ukazuje, že se dá jen těžko odhadnout co to vlastně změřili.

"Tento údaj je přitom asi 4,8 přesnější" - Vůči čemu? Mají učiněná pozorování 4,8 krát menší standardní odchylku? Je hodnota spočtena na 4,8 krát více desetinných míst? Co to znamená přesnější?

Možná OSEL tady není od toho, aby kopíroval kompletní obsah citovaných studií, ale snad alespoň nějakou akademickou úroveň by mít mohl. Nebo je to jenom reklama pobízející čtenáře k navštívení odkazovaných zdrojů?

Odpovědět


Re: Nešlo by to trochu lépe?

Vladimír Bzdušek,2021-02-03 15:39:12

Abstrakt článku z Nature:
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03183-1

Mám na tom Scherer inštitúte známeho,
a tak mi poslal celý článok, bohužiaľ jeho
obsah je nad moje fyzikálne chápanie.

Ale namerali toto:
"The precise α-particle charge radius from
laser spectroscopy of (μ4 He)+ serves as
a benchmark for few-nucleon theories and
for lattice quantum chromodynamics calculations,
and can be used to improve the fits of
the electric form factor at low-Q2
(Q, momentum transfer) of the 4 He nucleus.
Moreover, it serves as an anchor point for
isotopic shift measurements,
it opens the way to test higher-order
bound-state QED contributions to an unprecedented
sensitivity when combined with measurements in He+ ,
it can be used for a determination of the Rydberg
constant independent of hydrogen and the proton radius3 ,
and it provides bounds for flavour-violating interactions."

Odpovědět


Re: Re: Nešlo by to trochu lépe?

Marek Fucila,2021-02-04 03:19:12

Prd tomu rozumiem, ale položili ste dobrú otázku, tak som zbežne hľadal, či aj jadrá majú zistené nejaké tvary, ako pri orbitáloch a vyzerá to, že môžu byť aj asymetrické. Napríklad https://www.sciencealert.com/physicists-discover-brand-new-nucleus-shape-time-travel-not-possible/amp
Neviem, či sa vie tvar jadra He, ale ak dokážu merať dosť presne konštantný výsledok, tak tipujem, že to ukazuje na tvar gule. Keby to bolo niečo zložitejšie, asi by sa namerané hodnoty menili podľa smeru. Takže ak to aj nie je guľa, asi to má k nej dosť blízko. Inak by zrejme zverejnili viac parametrov.

Odpovědět

Jaká je definice velikosti jádra?

Vojtěch Kocián,2021-02-03 07:10:25

Jak je psáno i v článku, nejde o jasně ohraničenou entitu, tak by bylo zajímavé vědět, co vlastně na šest platných číslic naměřili. Ostatně definic velikosti atomu je hned několik, tak by mě nepřekvapilo, kdyby něco podobného platilo i u jádra.

Odpovědět


Re: Jaká je definice velikosti jádra?

Vladimír Bzdušek,2021-02-03 09:26:05

Číslo 1,67824 fm by sa dalo interpretovať ako vzdialenosť vrcholov pravidelného štvorstenu v prípade He4. Tvar jadra He3 bude potom trojuholník? A deutériové jadro H2 je potom 2x väčšie ako H1 ?

Odpovědět


Re: Re: Jaká je definice velikosti jádra?

Vojtěch Kocián,2021-02-03 11:30:38

To nejspíš ne. Baryony v jádře nejsou seskupeny jako atomy v molekulách, ale spíš jako elektrony v atomovém obalu. Tedy zaujímají nějaké energetické hladiny, ale ne konkrétní pozici v prostoru. Jejich prostorový výskyt bude dán pravděpodobnostní funkcí.

Odpovědět


Re: Re: Re: Jaká je definice velikosti jádra?

Vladimír Bzdušek,2021-02-03 14:23:58

Samozrejme, bolo to myslené skôr ironicky. Nie som až taký ignorant, aby som nerešpektoval fakt, že podľa kvantovej mechaniky to vlastne ani nevieme povedať, a vlastne ani nevieme, čo to tá kvantová mechanika vôbec je. Len popisujeme jej efekty a trochu ju využívame. Ale naspäť k problému: Čo to teda vlastne namerali?

Odpovědět

Guľa?

Vladimír Bzdušek,2021-02-02 23:10:30

Podľa výsledku má teda jadro He tvar gule?

Odpovědět


Re: Guľa?

Jiří Pospíšil,2021-02-03 17:55:22

Asit tak, jako vrtule na letícím letadle má tvar válce. S tím, že u té vrtule umíme nakonec určit, kde byl který bod na vrtuli v nějakém okamžiku. To v kvantové mechanice nějak nejde vlastně ani vypočítat.

Odpovědět


Re: Re: Guľa?

Vladimír Bzdušek,2021-02-04 17:01:47

Ako môžem určiť veľkosť/rozmer niečoho (-a navyše s takou presnosťou-) ak neviem aký to má tvar?

Odpovědět


Re: Re: Re: Guľa?

Jarda Ticháček,2021-02-04 18:15:46

Vcelku jednoduše. To jádro je složeno ze čtyř nukleonů, ty jsou samy poskládány z dalších kousků a vše se to hemží jako ples v opeře. Takže to jádro je děj, který se odehrává v nějakém prostoru. A ta parta změřila jak velký prostor je k tomu tanci potřeba.
Nakonec, rozměry fotbalového hřiště se dají změřit také docela přesně bez ohledu na to, jaký tvar zrovna zaujme těch dvaadvacet chlapů.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Guľa?

Vladimír Bzdušek,2021-02-04 21:55:41

Výborne. Takže to namerané číslo je priemer, polomer, hrana, uhlopriečka alebo čo? To ihrisko je aspoň olajnované.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Guľa?

Jan Novák9,2021-02-05 13:30:28

Bože, proč dáls dušu do barana! Klidně si nukleony představujte jako kuličky, heliu je to jedno. Rozměr je cokoliv chcete, stejně si to nedokážete představit a není v tom pro vás žádný rozdíl.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Guľa?

Jarda Ticháček,2021-02-06 14:22:04

No, zkusím se nad tím zamyslet: někde se nám kolem sebe motá pár věcí. Díky tomu chaosu nás ani nemusí zajímat, jaky tvar ty věci mají, díky tomu, že se to mele bez přestávky jsme ani schopni popsat nějaký přesný tvar toho všeho, ale jedna věc je zcela jasná. Vše se to točí, vrtí, mele. Takže prostor, který ta sranda zaujímá bude mít tvar nějakého rotačního tělesa. A protože se to bude vrtěti všemi možnými směry a točit se bůhví jak, zbývá jediné těleso, které je že všech stran tak nějak stejné.
Ergo, změřili velikost koule ve které se odehrává proces jménem jádro hélia. A protože určili její velikost, jde evidentně o průměr.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: Guľa?

Vladimír Bzdušek,2021-02-06 16:13:29

Samozrejme, je to čistá logika, a samozrejme, tie moje otázky boli zámerná provokácia. V profesnom živote som mal dosť hlboko do činenia s meraním, (je jedno čoho a ako), ale správna interpretácia nameraného výsledku bola niekedy dôležitejšia než jeho presnosť. Veľkosť jadra atómu definuje (jedna z možností) dosah silnej jadrovej sily. Zaujímavé je že napr. jadro deutéria aj trícia je väčšie ako jadro He4.

Odpovědět



Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace