Hemos , por supuesto, aprendído mucho. Podemos obtener energía mediante la división del núcleo en un proceso conocido como fisión o fundir los núcleos en un proceso conocido como fusión . Si bien no podemos decir exactamente cuando un núcleo inestable se desintegrará en su propia transformación espontánea de un isótopo a otro, podemos decir qué tan rápido un gran grupo de núcleos lo hará. De hecho, con confianza podemos determinar la vida media de un núcleo-(el tiempo en el que el 50 por ciento se desintegrará), incluso en casos en los cuales esa vida media es mayor que la edad del universo. Los núcleos muestran rarezas cuya comprensión ayudará a entender nuestro mundo. Una de ellas es la tendencia de los protones yneutrones que componen el núcleo atómico , conocidos colectivamente como nucleones para unirse en pares.
cuando un rápidamente rotante núcleo de germanio 72 aumenta su temperatura los emparejamiento entre los protones y neutrones en el núcleo tienden a decreser constantemente.A una temperatura crítica sin embargo los emparejamientos dán marcha atrás(es decir aumentan) como se representa en el centro de la ilustración.El extraño comportamiento indica una fase de transición dentro del núcleo de germanio 72.Crédito.(Illustration by Andy Sproles, ORNL).
Los físicos del Oak Ridge National Laborator, en la Universidad de Tennessee, y el GSI en Darmstadt Alemania usaron recientemente el superordenador Jaguar del ORNL para explorar la vinculación (o emparejamiento) de pares de neutrones en un isótopo raro-el germanio-72. Al hacerlo, descubrieron que los cambios en la temperatura y la rotación llevan al núcleo a través de al menos dos fases físicas. Su trabajo, el cual ofrece la primera descripción realista de este tipo de transición de fase en un núcleo atómico, fué presentado en Noviembre del 2010, en la edición de Physical Review Letters.
En nuestra vida mundana somos testigos de transiciones de fase siempre que vemos al agua enfriarse en hielo o hervir en vapor. Estos tres estados del agua-sólido, líquido y gas son las tres fases, y las transiciones dependen de la presión y la temperatura. En el oculto mundo cuántico del núcleo atómico, sin embargo,las transiciones de fase son más sutiles.
El Germanio-72 tiene 32 protones (como todos los isótopos de germanio) y 40 neutrones. Los 40 neutrones forman parejas fuertemente cuando el núcleo es frío y tranquilo, pero la asociación se debilita a medida que aumenta la temperatura o la rotación. Lo que el equipo descubrió, sin embargo, fué que la relación no es directa. Cuando la rotación es alta, el emparejamiento se debilita a medida que aumenta la temperatura, dando marcha atrás en un pequeño rango de temperaturas, y luego debilitándose cuando la temperatura sigue aumentando. Ese atascamiento indica la transición entre las fases.
"La transición de fase es el resultado del emparejamiento, la rotación, y la temperatura", señaló la miembro del equipo Nam Hai Ah del ORNL. "Lo que vimos fué que en la más alta rotación, había una temperatura crítica, donde el emparejamiento repentinamente se vió favorecido de nuevo. Eso fué interesante".
Ella dijo que el descubrimiento es emocionante en parte porque la transición de fase es una reminiscencia del cambio experimentado por los superconductores ferromagnético. En los cuales se da el caso de que los electrones en el material superconductor forman parejas los llamados pares de Cooper por debajo de una temperatura crítica, permitiendo al material conducir la electricidad sin pérdida.
"A esta temperatura, el vínculo o emparejamiento se volvió a introducir," dijo Nam en los neutrones del isótopo de germanio. "Fué a través de esta transición de fase. Es como en los superconductores, donde usted tiene que estar a una cierta temperatura para que los pares de Cooper se formen. Y lo que se traduce en el fenómeno de superconducción."
El equipo simuló al germanio-72 en Jaguar utilizando una técnica estadística llamada Modelo de Capas de Monte Carlo,el cual fué introducido en CalTech en la década de 1990 por una colaboración que incluyó a los miembros del equipo de David Dean, ahora en el ORNL, y Karlheinz Langanke, ahora en el GSI. En el modelo de capas nuclear, los protones y neutrones ocupan sucesivamente más altos niveles de energía, con un número limitado de nucleones capaces de ocupar cada nivel. Así, por ejemplo, dos neutrones pueden colocarse en el nivel más bajo de energía, cuatro en el de arriba, dos más en el que sigue, y así sucesivamente.
La técnica computacional analiza los protones y neutrones en cada uno de estos niveles de energía. Para evitar tener que mirar en todas las configuraciones posibles de los 72 nucleones osea un billón de billones de configuraciones, la técnica calcula las propiedades del núcleo usándo una media estadística cuántica.Este enfoque le da al equipo una respuesta de alta precisión combinada con una incertidumbre conocida.
Incluso con esta técnica de muestreo, el cálculo utilizó 80.000 de los 240000 núcleos de procesos de Jaguar durante cuatro horas para estudiar un único núcleo.
"El impacto de Jaguar en la solución de estos cálculos es tremendo," dijo Nam."Obtener esta misma cantidad de información llevaría meses para terminarse hace una década. Ahora estamos en condiciones de realizar la investigación de cómputo en un superordenador en una semana."
El equipo tiene previsto continuar con esta investigación para ver si el efecto está presente en otros isótopos distintos del germanio-72. Los investigadores también han sugerido una manera de comparar los resultados teóricos del experimento. Los resultados iniciales indican que la transición de fase que se ve en el germanio-72 puede ser única.
"En continuos estudios vamos a ver una docena o más de núcleos de media masa dentro de este rango para ver si podemos conseguir el mismo efecto", dijo Nam. "Debido a que Jaguar es un recurso formidable, podemos ahondar en lo más profundo y llevar a cabo esencialmente más experimentos en un corto período de tiempo para obtener una mejor comprensión de la ciencia. La velocidad a la que podemos ver una gran variedad de núcleos hubiera sido imposible cuando David empezó esto. "
Una de las ventajas de la técnica del Modelo de Capas de Monte Carlo,ella señaló, es que predice las consecuencias de la transición de fase que pueden ser verificadas experimentalmente. En este caso, la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura del material, conocido como el calor específico, desciende notablemente en la temperatura crítica.
Nam dijo que el equipo ha sido contactado por los experimentadores interesados en verificar el resultado, una tarea difícil pero factible. Los investigadores han sido capaces de examinar el calor específico de los núcleos en el pasado, pero hasta ahora nadie ha dado un vistazo de cerca al germanio-72.
Entonces, ¿qué quiere decir que al menos algunos núcleos pasan por este tipo de cambio de fase? Nadie está seguro. El resultado es muy nuevo, y las implicaciones necesitarán tiempo para estar claras.
"La competencia entre la superconductividad, la rotación rápida, y la temperatura es un tema fascinante que puede ser estudiado en diversos sistemas físicos, incluyendo pequeños núcleos atómicos y ferromagnetos de gran escala ", dijo el miembro del equipo Witold Nazarewicz, un físico de la Universidad de Tennessee."Estamos felices de saber que nuestro modelo teórico puede ofrecer la primera descripción realista de un fenómeno difícil de los sucesivos emparejamientos o vinculaciones en transiciones de fase en el núcleo."
"Entonces, ¿cuál es el impacto físico de aprendizaje de que el germanio tiene un cambio de fase? Bueno, los cambios de fase son ciertamente explotado en muchas prácticas de ingeniería", dijo Nam. "Por ahora, estos resultados nos hacen dar un paso más hacia la comprensión del núcleo atómico."
leer el estudio AQUÍ
fuente de la información:
http://www.ornl.gov/info/features/get_feature.cfm?FeatureNumber=f20110601-01
