Az Atommagkutató Intézet részvételével egy nemzetközi kutatócsoport megoldást talált egy 40 éve fennálló rejtélyre: miért forognak maghasadás után a hasadványtermékek akkor is, ha az anyamag nem forgott. A Nature folyóiratban nemrég megjelent cikk bizonyítja, hogy a folyamat során keletkezett két hasadvány forgása független egymástól, azok a hasadás után pörögnek fel. Erre az előállt nagymennyiségű adat elemzését, az elméleti számítások eredményeivel történt összehasoníltást és a Monte Carlo szimulációk lefuttasát követően jutottak a kutatók.
Az atommagokat felépítő protonok és neutronok (együttesen: nukleonok) között vonzó és taszító kölcsönhatások lépnek fel. A protonok pozitív töltésűek, ezek elektromosan taszítják egymást. A neutronok semlegesek, így közöttük nincs elektrosztatikus (Coulomb-)kölcsönhatás. A természetben előforduló atommagok nagy része mégis stabil, a bennük lévő protonok nem szaladnak szét a taszítás ellenére sem. Ennek oka, hogy az atommagot felépítő nukleonok között egy másik, igen rövid hatótávolságú, de rendkívül erős vonzó kölcsönhatás is fellép, amit 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 1938-ban fedezte fel Otto Hahn és Fritz Strassmann urán atommagok vizsgálata közben, elméleti magyarázatot pedig Lise Meitner adott rá. A hasadás során az atommag két (vagy több) kisebb részre szakad, miközben több-kevesebb neutron is kiszabadul, és a folyamatot gamma-sugárzás kíséri. A nehéz atommagok hasadása közben energia szabadul fel. Az atommagok nem mindig ugyanúgy hasadnak, a hasadási termékek sokfélék lehetnek. A maghasadás pillanata előtt az atommag alakja megváltozik: enyhén megnyúlt alakúból erősen megnyúlttá válik, középtájon elkeskenyedik, mondhatni nyaka keletkezik, amely egyre vékonyodik és végül szétszakad. Az, hogy milyen hasadási termékek keletkeznek, attól függ, hogy véletlenszerűen éppen hol szakad el a nyak.
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 rövid idővel már az alkalmazás 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 résztvevő 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 alatti 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 ebben a témában.
Az egyik ilyen a hasadványok pörgő mozgásának eredete. Egy kettéhasadt mag mindkét fele forog még akkor is, ha a szülő magnak nem volt impulzusmomentuma, azaz nem forgott. Ez a jelenség több mint 40 éve ismeretes, de ezidáig nem sikerült megérteni. Különböző elméleti elképzelések versenyeznek egymással, melyek között a kísérleti megfigyelés ezidáig nem tudott igazságot tenni. Mostanáig egy tekintetben nagyjából egyetértés volt a rivális modellek között: úgy gondolták, hogy a szülő magnak a hasadás lezajlása előtti kollektív rezgése felelős a keletkező impulzusmomentumokért.
A Nature folyóiratban nemrég megjelent cikk 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 során vizsgálta a spontán hasadó kaliforniumot (252Cf), valamint a gyorsneutronokkal előidézett indukált hasadást tórium (232Th) és urán (238U) izotópokon. A keletkező hasadványok forgása nagyon hamar, néhány nanoszekundum (10-9 s) alatt megszűnik, mert a hasadvány igyekszik megszabadulni a felesleges energiájától gamma-sugárzás kibocsájtásával. A mérések során ezt a gamma-sugárzást detektálták. Az előállt nagymennyiségű adat elemzése, azok összehasonlítása az elméleti számítások eredményeivel és a lefuttatott Monte Carlo szimulációkkal végül arra a következtetésre vezette a kutatókat, hogy a maghasadásban keletkezett két hasadvány forgása független egymástól, az atommag széthasadása után statisztikus módon alakul ki. Tehát a hasadványok forgó mozgásáért nem a maghasadás előtt bekövetkező kollektív rezgés a felelős.
A magyarázat ehelyett a következő. A maghasadás előtt a szétválóban lévő részeket összekötő nyak először megnyúlik, majd elszakad, végül a szétszakadt, deformált hasadványok elnyerik gömbölyded alakjukat. Eközben - hasonlóan a szakadásig megnyújtott gumiszalaghoz - a kezdetben a megnyúlt nyakban tárolt potenciális energia átalakul mozgási/forgási energiává.
A cikk 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 most keletkezett hasadvány tömegközéppontjától, azonban igyekeznek minél közelebb kerülni hozzá, felvéve így a gömbölyded magalakot. A közeledés nem pontosan tömegközépponti irányban történik, hanem attól így vagy úgy kissé eltérően a szakadás véletlen jellegének köszönhetően. Emiatt a hasadvány forogni kezd. (Mint amikor a focista kissé oldalt rúg a labdába és ezzel bepörgeti.) A keletkező két hasadványban az eltérő számú nyaki nukleonok véletlenszerű elhelyezkedésük révén különböző mértékű és különböző irányultságú pörgést hoznak létre, miközben természetesen nem sérül az impulzusmomentum (perdület) megmaradásának törvénye. Ez a modell megmagyarázza a kutatók mostani megfigyeléseit.
A cikk eredménye fontos a maghasadás jobb megértése és elméleti leírása, a neutrongazdag izotópok felépítésének tanulmányozása, a szupernehéz atommagok keletkezésének és stabilitásának megértése szempontjából, továbbá az atomreaktorokban a hasadás során fellépő gamma-sugárzás által okozott melegedési probléma miatt.
