Όταν ο πυρήνας του ατόμου προτάθηκε επίσημα πρώτη φορά το 1911 και οι φυσικοί, θεώρησαν πως ήταν στρογγυλός, όπως τον περιέγραφε ο Δημόκριτος. Είναι όμως οι πυρήνες των ατόμων όντως σφαιρικοί; Διαισθητικά, αυτό το σχήμα έχει νόημα και οι φυσικοί πίστευαν ότι εξηγούσε εύστοχα τις πρώτες μετρήσεις των πυρηνικών ιδιοτήτων. Όμως, αρκετά αργότερα είχαμε τις πρώτες ενδείξεις πως το σχήμα του πυρήνα των ατόμων, είναι πιο σύνθετο.
Ας δούμε αρχικά την αρχιτεκτονική του ατόμου. Είναι σχηματισμένος από ένα σύμπλεγμα πρωτονίων και νετρονίων, στο κέντρο του, τον πυρήνα. Ο πυρήνας είναι 10.000 φορές μικρότερος από το άτομο στο σύνολό του. «Είναι σαν μια μύγα σε καθεδρικό ναό» σύμφωνα με τον David Jenkins, πυρηνικό φυσικό στο Πανεπιστήμιο της Υόρκης στο Ηνωμένο Βασίλειο. Παρά το γεγονός πως περιέχει την συντριπτική μάζα ενός ατόμου, ο ίδιος ο πυρήνας έχει πολύ μικρή επίδραση στις ιδιότητες του ατόμου, με την πρώτη ματιά. Η χημεία ενός ατόμου καθορίζεται από τη διαμόρφωση των ηλεκτρονίων, ενώ τα φυσικά χαρακτηριστικά προκύπτουν από τον τρόπο με τον οποίο αλληλοεπιδρά με άλλα άτομα.
Παράλληλα με την ιδέα των ηλεκτρονιακών στοιβάδων στην ατομική φυσική, το 1949 οι επιστήμονες πρότειναν το μοντέλο της πυρηνικού στοιβάδας, κατά το οποίο τα πρωτόνια και τα νετρόνια βρίσκονται σε ξεχωριστές πυρηνικές στοιβάδες και η πρόσθετη εισροή ενέργειας μπορεί να διαγείρει αυτά τα σωματίδια, ώστε να πηδούν πάνω και κάτω μεταξύ σταθερών ενεργειακών επιπέδων.
«Αργότερα όμως, έγινε φανερό ότι το μεγαλύτερο μέρος της συμπεριφοράς στους πυρήνες περιγραφόταν από αυτό που αποκαλούμε συλλογική συμπεριφορά, που λειτουργεί ως ένα συνεκτικό αντικείμενο», δήλωσε ο Jenkins. Αυτό σημαίνει πως ο πυρήνας ως σύνολο μπορεί να εμφανίσει δύο τύπους ιδιοτήτων. Μπορεί να περιστρέφεται ή μπορεί να δονείται.
Η περιστροφή στα περισσότερα μόρια, μπορεί να ανιχνευθεί με φασματοσκοπικές μεθόδους, μετρώντας ένα δακτυλικό αποτύπωμα διαφορετικών επιπέδων περιστροφική ενέργειας. Όμως, τα σφαιρικά αντικείμενα φαίνονται να είναι ίδια, ανεξάρτητα από την κατεύθυνση που περιστρέφονται, επομένων τα συμμετρικά συστήματα, όπως τα άτομα, δεν παράγουν φάσμα.
«Ο μόνος τρόπος για να δείτε στοιχεία περιστροφής στους πυρήνες είναι αν ο πυρήνας είναι παραμορφωμένος», εξήγησε ο Jenkins. «Και οι άνθρωποι είδαν ότι ο πυρήνας έχει μοτίβα διέγερσης γνωστά ως περιστροφικές ζώνες, έτσι αυτό υποδηλώνει ότι ο πυρήνας είναι παραμορφωμένος».
Από αυτή την εκπληκτική ανακάλυψη τη δεκαετία του 1950, ξεκίνησε μια σειρά στοχευμένων πειραμάτων, που έφερε μια σειρά από πυρηνικά σχήματα. Έχουμε δει πυρήνες με σχήμα αχλαδιού ή σαν καραμέλες M&Ms, όμως ο στρογγυλός πυρήνας είναι σε μεγάλο βαθμό η εξαίρεση και όχι ο κανόνας. Περίπου το 90% των πυρήνων, έχουν σχήμα σαν μπάλα ράγκμπι στη χαμηλότερη ενεργειακή τους κατάσταση, με εκπληκτικά λίγους να παίρνουν το αντίθετο σχήμα συνθλιμμένης σφαίρας, σχήμα που μοιάζει με M&M.
«Δεν γνωρίζουμε γιατί αυτό το προεκτεινόμενο σχήμα φαίνεται πιο ευνοϊκό από το πεπλατυσμένο σχήμα», είπε ο Jenkins. «Μερικοί πυρήνες έχουν επίσης πολλαπλά σχήματα, επομένως μπορούν να εμφανίσουν ένα στην θεμελιώδη κατάσταση, και στη συνέχεια τους βάζετε κάποια ενέργεια και παραμορφώνονται σε ένα άλλο σχήμα».
Οι πυρήνες σε σχήμα αχλαδιού, που είναι και πιο εξωτικοί, περιορίζονται σε ορισμένες περιοχές του πυρηνικού χάρτη, ιδιαίτερα γύρω από το ράδιο, ενώ οι σφαιρικοί πυρήνες περιορίζονται σε άτομα με «μαγικούς» αριθμούς (ή πλήρεις στοιβάδες) πυρηνικών σωματιδίων. Αλλά τι προκαλεί την παραμόρφωση;
«Είναι διαισθητικό ότι το βασικό σχήμα ενός αντικειμένου που δεν διεγείρεται, δεν ταλαντεύεται ή δεν τεντώνεται θα πρέπει να είναι σφαιρικό», δήλωσε ο Paul Stevenson, πυρηνικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Surrey στο Ηνωμένο Βασίλειο. «Αλλά στην πραγματικότητα, στην περίπτωση των πυρήνων, είναι εκπληκτικό το γεγονός ότι οποιοσδήποτε από αυτούς είναι σφαιρικός επειδή υπακούει στους νόμους της κβαντομηχανικής».
Η εξίσωση Schrödinger, μια από τις θεμελιώδεις αρχές της κβαντομηχανικής, προβλέπει μαθηματικά πως θα αλλάξει η κυματοσυνάρτηση ενός αντικειμένου με την πάροδο του χρόνου, παρέχοντας ουσιαστικά ένα μέσο για την εκτίμηση της πιθανής κίνησης και θέσης αυτού του αντικειμένου. Η επίλυση αυτού για έναν ατομικό πυρήνα παρέχει ένα νέφος πιθανοτήτων, για όλες τις πιθανές θέσεις στις οποίες θα μπορούσε να βρίσκεται, οι οποίες δίνουν το σχήμα του πυρήνα.
«Οι βασικές λύσεις της εξίσωσης του Schrödinger δεν φαίνονται σφαιρικές — έχουμε αυτά τα σχήματα που κινούνται σε κύκλο, αλλά μετά αρχίζουν να κυματίζουν», εξήγησε ο Stevenson. «Επειδή λοιπόν αυτές οι λύσεις κβαντικής κυματοσυνάρτησης έχουν ασυμμετρία, είναι πιο πιθανό τα σωματίδια στον πυρήνα να δείχνουν προς μία κατεύθυνση».
Για τους σπάνιους σφαιρικούς πυρήνες, αυτή η κυματοειδής ιδιότητα τυχαίνει να εξουδετερώνει την ιδιότητα αυτή. Όμως οι επιστήμονες δεν κατανοούν ακόμα τον λόγο για τον οποίο ορισμένα από αυτά τα παραμορφωμένα σχήματα είναι πιο συνηθισμένα από άλλα ή αν υπάρχει καν κάποιος λόγος.
Όλα αυτά ανατρέπουν την κατανόησή μας για το πως πιστεύαμε πως είναι οι πυρήνες των ατόμων, ενώ έρχονται μαζί με πολλά ακόμα ανοιχτά ερωτήματα.
