Forskare vid Chalmers tekniska högskola har bidragit till ett internationellt forskningssamarbete som ger nya och oväntade insikter om fission – kärnklyvning. För första gången har man ingående undersökt klyvningen av instabila atomkärnor med en extremt obalanserad kvot av protoner och neutroner. Resultaten, som nyligen publicerats i Nature, visar överraskande mönster i laddningsfördelningen hos de delar atomkärnan klyvs i.
En bättre förståelse för fission – när en atomkärna klyvs och släpper ut energi – är nödvändig för ökade kunskaper om hur atomer fungerar. Men den kan också ge en bättre bild om så vitt skilda saker som hur grundämnen skapas i universum eller hur man kan skapa bättre tekniker för energiproduktionen på jorden.
I en studie som nyligen publicerats i Nature har forskare undersökt klyvningen av hundra olika typer av exotiska atomkärnor. En stor andel av dem har aldrig tidigare studerats på samma sätt, och därmed kan man nu lägga ytterligare kunskaper till förståelsen av en av naturens grundläggande drivkrafter.
Grunden till artikeln är ett experiment som utförts vid GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research i Tyskland. Under experimentet, som genomfördes i en acceleratorfacilitet, besköts beryllium med en intensiv uranstråle som färdades vid 86,7 procent av ljusets hastighet. Vid kollisionen som följde producerades hundratals olika isotoper som filtrerades och urskildes efter massa och laddning.
Har bidragit med dataanalyser och tolkningar
Studien är en stor internationell sammanslutning och kulminationen av 25 års arbete. Andreas Heinz har tillsammans med kollegor från institutionen för fysik på Chalmers bidragit till experimentets utförande, samt med dataanalyser och tolkningar.
Andreas Heinz ger här en inblick i vad man kommit fram till i studien:
– Kärnklyvningsprocessen har studerats över en väldigt lång tid, men bara för ett begränsat antal isotoper. Vad man vanligtvis gör är att beskjuta isotopen man är intresserad av med exempelvis neutroner, och sedan observerar man hur kärnklyvningen sker. För långlivade isotoper, som uran, är detta relativt enkelt, men med kortlivade isotoper är det mycket svårare. Och det är dessa som vi nu lyckats studera, berättar Andreas Heinz.
Skaleffekter påverkar hur atomkärnan klyvs
När en atomkärna splittras i två delar vid fission har de två delarna vanligtvis inte samma storlek eller massa. I många fall är den ena delen tyngre och den andra är lättare. Denna asymmetri orsakas av atomkärnans skalstruktur, där vissa antal protoner och neutroner är mer stabila. Hur detta fungerar i detalj är svårt att förstå.
För att gå vidare med detta problem undersökte forskarna klyvningen av exotiska atomkärnor med en extremt obalanserad kvot av protoner och neutroner – i synnerhet fokuserade man på atomkärnor inom regionerna platina, kvicksilver och bly, som har relativt få neutroner. Medan man vetat att vissa av dessa atomkärnor delas i en tung och en lätt del, har man i studien nu kommit fram till varför det är så: en ytterligare stabilitet skapas av ett specifikt antal protoner, 36 stycken, i den lättaste delen av den kluvna atomkärnans två fragment.
– Det vi försöker ta reda på är vilka skaleffekter som orsakar att atomkärnan klyvs i en lätt och en tung del. Detta är mycket svårt att förutsäga, och även svårt att mäta experimentellt. Vi här mätt ett område av atomkärnor som genomgår fission, vilket hittills inte undersökts särskilt noggrant. Vår studie visar tecken på att det är en skaleffekt i antalet protoner hos de lätta fragmenten som ligger bakom en stor del av den utveckling vi tidigare inte sett, säger Andreas Heinz, som själv förvånades över hur tydligt inverkan av skaleffekten syntes i dataanalyserna.
Ger viktiga ledtrådar till fissionsforskningen
Studien ger nya pusselbitar till forskningsfältet.
– Hur den komplexa kärnklyvningsprocessen fungerar i detalj är fortfarande en öppen fråga. Det finns idag inte enbart en modell som kan förklara hela processen. Experimentellt är det också mycket svårt att mäta allt det man kan tänkas vilja mäta och att extrahera exakt all den information som behövs. Då studien har gett oss tillgång till data om många fler atomkärnor och hur de klyvs, har vi fått en helt ny bild att jobba med, och vi har nu en bättre förståelse för hur atomkärnors skal påverkar fissionsförloppet, säger Andreas Heinz.
Om forskningen:
Artikeln An asymmetric fission island driven by shell effects in light fragments publicerades i Nature den 30 april 2025. Medförfattare till artikeln från Chalmers tekniska högskola är docent Andreas Heinz, forskningsingenjörerna Matthias Holl, Håkan T Johansson och Hans Törnqvist, professor Björn Jonson och professor emeritus Mikhail Zhukov. Forskarna är aktiva vid institutionen för fysik, förutom Matthias Holl som för närvarande är aktiv vid Lunds universitet.
Kontakt
- Docent, Subatomär, högenergi- och plasmafysik, Fysik