Energy-Resolved Spin and Parity Distributions of Fission Fragments
تقدم هذه الورقة أول محاكاة مجهرية، دقيقة طاقياً، لتوزيعات اللف المغزلي والتكافؤ في شظايا انشطار Pu، كاشفةً عن تطورها غير الرتيب مع طاقة الاستثارة، وموضحةً كيف تتنبأ هذه التوزيعات بوفرة الفوتونات الاندفاعية دون معاملات قابلة للضبط.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
الانشطار النووي هو العملية التي تنقسم فيها ذرة ثقيلة، مثل اليورانيوم أو البلوتونيوم، إلى قطعتين أخف وزناً. لعقود من الزمن، عرف العلماء أنه عندما يحدث هذا، فإن القطعتين الناتجتين، واللتين تُسميان "الشظايا"، لا تبتعدان عن بعضهما فحسب، بل تدوران أيضاً بسرعة كبيرة، مثل "البلابل" الصغيرة. هذا الدوران يمثل لغزاً لأن الذرة الأصلية عادة ما يكون لها دوران ضئيل جداً في البداية. إن فهم كيفية تولد هذا الدوران أمر بالغ الأهمية لعدة أسباب؛ فهو يساعد في تفسير كيفية تكوين العناصر الثقيلة في الاصطدامات العنيفة للنجوم النيوترونية، ويحسن سلامة وكفاءة المفاعلات النووية من خلال التنبؤ بمقدار الحرارة المنبعثة، كما يساعد في اكتشاف المواد النووية المخفية. ومع ذلك، بينما قام العلماء بقياس متوسط دوران هذه الشظايا، لم يفهموا تماماً كيف يتغير هذا الدوران مع زيادة طاقة الجسيم القادم الذي يحفز الانقسام، كما لم يعرفوا القواعد الدقيقة التي تحكم دوران وتماثل الشظايا.
استخدم فريق من الباحثين الآن عمليات محاكاة حاسوبية متقدمة لمراقبة عملية الانقسام هذه وهي تتكشف من البداية إلى النهاية، مما كشف عن كيفية تطور دوران وتماثل الشظايا. ومن خلال نمذجة انشطار البلوتونيوم-239 الناجم عن نيوترونات بطاقات تتراوح من المستويات الحرارية المنخفضة جداً وصولاً إلى 10 ملايين إلكترون فولت، اكتشفوا أن دوران الشظايا ليس عشوائياً. بدلاً من ذلك، هو مرتبط ارتباطاً وثيقاً بمدى تمدد النواة في اللحظة الدقيقة التي تنكسر فيها. ومع زيادة طاقة النيوترون القادم، تتمدد النواة بشكل أكبر قبل أن تنكسر، وهذا التمدد الإضافي يتسبب مباشرة في دوران الشظايا بسرعة أكبر. ووجد الباحثون أن هذه العلاقة تنطبق على الشظايا الفردية، مما يعني أن شكل النواة في لحظة التمزق هو ما يحدد دوران القطع الناتجة.
كما تناولت الدراسة افتراضاً استمر لفترة طويلة بشأن تماثل هذه الشظايا. ففي العديد من النماذج القياسية، يفترض العلماء أن الشظايا من المحتمل أن تكون ذات تماثل "موجب" أو "سالب" بالتساوي، وهي خاصية تُعرف باسم "التكافؤ" (parity)، تماماً مثل رمي قطعة نقدية. وتظهر عمليات المحاكاة الجديدة أن هذا الافتراض غير صحيح، خاصة عند مستويات الطاقة المنخفضة. فعند مستويات الطاقة الحرارية، تظهر الشظايا تفضيلاً قوفتًا لنوع واحد من التماثل على الآخر، ويظل هذا التفضيل مرتبطاً بدورانها حتى مع زيادة الطاقة. وفقط عند الطاقات العالية يبدأ التماثل في الظهور بشكل أكثر عشوائية، ولكن حتى حينها، يظل الارتباط بين الدوران والتماثل قائماً. يشير هذا الاكتشاف إلى أن الطريقة القياسية للتنبؤ بكيفية اضمحلال الشظايا تفتقر إلى قطعة رئيسية من اللغز.
ولاختبار أهمية هذه النتائج الجديدة، قام الباحثون بإدخال بيانات الدوران والتماثل التفصيلية هذه في كود حاسوبي قياسي يُستخدم للتنبؤ بكيفية إطلاق الشظايا للطاقة. وعندما استخدموا البيانات المجهرية الجديدة الأكثر دقة بدلاً من الصيغ القدسة المبسطة، تغير عدد أشعة غاما المنبعثة من الشظايا بشكل كبير. فقد تنبأت البيانات الجديدة بعدد أكبر بكثير من أشعة غاما عند الطاقات الحرارية مقارنة بالنماذج القديمة، وأظهرت نمطاً مختلفاً لكيفية نمو هذا العدد مع زيادة طاقة النيوترون. يشير هذا إلى أن الصيغ القديمة، التي تم ضبطها لتناسب التجارب السابقة، قد تحتاج إلى إعادة معايرة لتأخذ في الاعتبار السلوك الحقيقي والمعقد للشظايا.
حقق الباحثون ذلك من خلال محاكاة حدث الانشطار بأكمله، بدءاً من الحالة الأولية للنواة مروراً بلحظة انقسامها وصولاً إلى اضمحلال الشظايا. لم يكتفوا بالنظر إلى النتائج الأكثر شيوعاً فحسب، بل تتبعوا آلاف المسارات المختلفة التي يمكن أن تسلكها النواة. ووجدوا أن عدد أنواع الشظايا المنتجة يزدادة مع ارتفاع الطاقة، مما يسد الفجوات التي كانت فارغة عند الطاقات المنخفضة. والأهم من ذلك، لاحظوا أن دوران الشظايا لا يزداد في خط مستقيم بسيط مع طاقة النيوترون القادم؛ بل يرتفع الدوران بسرعة في البداية، ثم يتباطأ معدل الزيادة ويستقر في النهاية. ويحدث هذا الاستقرار لأن النواة تصل إلى حد أقصى في مدى تمددها قبل أن تنكسر، بغض النظر عن مقدار الطاقة الإضافية التي تُضاف إليها.
يوفر هذا العمل أول خريطة مفصلة ومحددة بالطاقة لكيفية توزيع الدوران والتماثل بين شظايا الانشطار. إنه يتجاوز مجرد المتوسطات البسيطة ليظهر كيف تختلف هذه الخصائص لكل نوع محدد من الشظايا المنتجة. وتشير النتائج إلى أن الآلية التي تقود الدوران هي هندسة النواة في لحظة التمزق، وليس أي عامل خفي آخر. ومن خلال إظهار أن الدوران هو نتيجة مباشرة لشكل النواة، تقدم الدراسة صورة أوضح للفيزياء المعنية. كما تسلط النتائج الضوء على أن افتراض التماثل العشوائي في النماذج الحالية هو تبسيط مخل يؤثر على قدرتنا على التنبؤ بالسلوك النووي بدقة.
تمتد تداعيات هذه النتائج إلى الأدوات التي يستخدمها علماء ومهندسو النووي. فالأكواد الإحصائية التي تحاكي كيفية اضمحلال الشظايا تعتمد على مدخلات حول الدوران والتماثل. وتوضح الدراسة أن استخدام المدخلات المجهرية الجديدة والمفصلة يغير التنبؤات بالكميات المرصودة مثل عدد الفوتونات المنبعثة. ويشير هذا إلى أن المعايير في النماذج الحالية، التي تم تعديلها لتناسب البيانات القديمة، قد تحتاج إلى تحديث لتعكس الفيزياء الحقيقية لعملية الانشطار. ورغم أن عمليات المحاكاة قوية، إلا أن الباحثين أشاروا إلى أن تجارب مستقبلية ستكون ضرورية لتأكيد هذه التنبؤات المحددة، لا سيما فيما يتعلق بكيفية تغير الدوران بالنسبة لكتل الشظايا المختلفة. يفتح هذا البحث مساراً نحو فهم أكثر دقة للانشطار النووي، مستبدلاً التخمين بوصف فيزيائي دقيق لكيفية سلوك هذه القطع الذرية.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.