Reč magija se ne koristi često u kontekstu nauke. Ali ranih 1930-ih, naučnici su otkrili da su neka atomska jezgra — središnji deo atoma, koji čine svu materiju — stabilnija od drugih. Ova jezgra su imala određeni broj protona ili neutrona, ili magične brojeve, kako ih je nazvao fizičar Judžin Vigner.
Počela je trka da se otkrije šta je ove jezgre učinilo tako stabilnim. Razumevanje ovih magičnih brojeva omogućilo bi naučnicima da predvide svojstva drugih jezgara, kao što su njihova masa ili koliko se očekuje da će živeti. Uz to, naučnici bi takođe mogli da predvide koje kombinacije protona i neutrona mogu dovesti do jezgra.
Rešenje zagonetke je došlo 1949. iz dva pravca istovremeno. U SAD je fizičarka Marija Gepert Majer objavila objašnjenje, u isto vreme kada je grupa naučnika predvođena J. Hansom D. Jensenom u Nemačkoj pronašla isto rešenje.
Za svoje otkriće, dvojica fizičara su dobili po četvrtinu Nobelove nagrade za fiziku 1963. Mi smo dva nuklearna naučnika čiji se rad zasniva na otkrićima Goepperta Maiera i Jensena pre 75 godina. Ovi magični brojevi i dalje igraju važnu ulogu u našim istraživanjima, samo što ih sada možemo proučavati u jezgrima koji žive samo delić sekunde.
Atom je složen sistem čestica. Sastoji se od centralnog jezgra koje se sastoji od protona i neutrona, zvanih nukleoni, sa elektronima koji kruže oko jezgra.
Fizičar, dobitnik Nobelove nagrade, Niels Bohr opisao je ove elektrone u atomu kao postojeće u strukturi ljuske. Elektroni kruže oko jezgra na određenim energetskim nivoima ili orbitama. Ove orbite imaju specifične energije, a svaka orbita može zadržati samo toliko elektrona.
Hemijske reakcije su rezultat interakcije između elektrona u dva atoma. U Borovom modelu, ako elektronska orbita nije već popunjena, onda je atomima lakše da razmenjuju ili dele te elektrone i indukuju hemijske reakcije.
Jedna klasa elemenata, plemeniti gasovi, retko kada reaguju sa drugim elementima. U plemenitim gasovima, elektroni zauzimaju potpuno popunjene orbite, i kao rezultat toga atomi se pohlepno drže svojih elektrona umesto da dele i prolaze kroz hemijsku reakciju.
Tokom 1930-ih, naučnici su se pitali da li bi protoni i neutroni takođe mogli da zauzimaju orbite, poput elektrona. Ali to niko nije mogao da pokaže u potpunosti. Više od jedne decenije, naučna zajednica nije bila u stanju da opiše jezgro u smislu pojedinačnih protona i neutrona. Naučnici su koristili pojednostavljeniju sliku, onu koja tretira protone i neutrone kao jedan jedinstven sistem, kao kap vode.
Godine 1949, Goeppert Maier i Jensen razvili su takozvani model školjke jezgra. Protoni i neutroni zauzimaju određene orbite, analogne elektronima, ali takođe imaju osobinu koja se zove spin — slična vrhuncu koji se okreće. Goeppert Maier i Jensen su otkrili da su kombinovanjem ova dva svojstva u svojim proračunima mogli da reprodukuju eksperimentalna zapažanja.
Kroz neke eksperimente, otkrili su da su jezgra sa određenim magičnim brojem neutrona ili protona neobično stabilna i da drže svoje nukleone više nego što su istraživači ranije očekivali, baš kao što plemeniti gasovi drže svoje elektrone.
Magični brojevi poznati naučnicima su 2, 8, 20, 28, 50, 82 i 126. Isti su i za protone i za neutrone. Kada jezgro ima magični broj protona ili neutrona, tada je određena orbita ispunjena, a jezgro nije mnogo reaktivno, slično plemenitim gasovima.
Na primer, element kalaj ima magični broj protona. Kalaj uvek ima 50 protona, a njegov najčešći izotop ima 70 neutrona. Izotopi su atomi istog elementa koji imaju različit broj neutrona.
Postoji devet drugih stabilnih izotopa kalaja koji mogu postojati – to je element sa najvećim brojem stabilnih izotopa. Stabilni izotop se nikada neće spontano promeniti u drugi element, što se dešava sa radioaktivnim izotopima.
Helijum, sa dva protona i dva neutrona, je najlakše „dvostruko magično“ jezgro. I njegov broj neutrona i njegov broj protona su magični broj. Sile koje drže jezgro helijuma-4 zajedno su toliko jake da je nemoguće prikačiti još jedan proton ili neutron. Ako pokušate da dodate još jedan proton ili neutron, dobijeni atom bi se trenutno raspao.
S druge strane, najteže stabilno jezgro koje postoji, olovo-208, takođe je dvostruko magično jezgro. Ima magične brojeve od 82 protona i 126 neutrona.
Primeri magičnih brojeva i stabilnih jezgara postoje svuda – ali naučnici nisu mogli da ih objasne bez uvođenja modela školjke.
Struktura ljuske u jezgrima govori istraživačima o tome kako su elementi raspoređeni širom Zemlje i širom univerzuma.
Jedan od najzastupljenijih elemenata na našoj planeti iu ljudskom telu je kiseonik, posebno izotop kiseonik-16.
Sa osam protona i osam neutrona, kiseonik-16 ima izuzetno stabilno jezgro. Obližnja zvezda je proizvela kiseonik koji nalazimo na Zemlji kroz nuklearne reakcije u njenom jezgru negde pre nego što je formiran Sunčev sistem.
Pošto su jezgra kiseonika dvostruko magična, ova jezgra u zvezdi nisu mnogo delovala sa drugim jezgrima. Tako je ostalo više kiseonika da bi na kraju delovao kao suštinski sastojak za život na Zemlji.
Marija Gepert Majer je u svom Nobelovom predavanju govorila o radu koji je obavila sa fizičarem Edvardom Telerom. Njih dvojica su pokušali da opišu kako su se ovi elementi formirali u zvezdama. Tokom 1930-ih, bilo im je nemoguće da objasne zašto su određeni elementi i izotopi bili zastupljeniji u zvezdama od drugih. Kasnije je otkrila da povećane količine odgovaraju jezgrima sa nečim zajedničkim: svi su imali magični broj neutrona.
Sa modelom školjke i objašnjenjem magičnih brojeva, izrada elemenata u zvezdama je bila moguća i objavljena je 1957. godine.
Naučnici danas nastavljaju da koriste ideje iz modela nuklearne ljuske da objasne nove pojave u nuklearnoj nauci. Nekoliko akceleratorskih objekata, kao što je Postrojenje za zrake retkih izotopa, gde radimo, imaju za cilj da stvore egzotičnija jezgra da bi razumeli kako se njihova svojstva menjaju u poređenju sa njihovim stabilnim kolegama.
U Postrojenju za zrake retkih izotopa, naučnici proizvode nove izotope tako što ubrzavaju stabilne izotope do otprilike polovine brzine svetlosti i razbijaju ih u metu. Od komada biramo najređe i proučavamo njihova svojstva.
Verovatno najdublje moderno otkriće je činjenica da se magični brojevi menjaju u egzotičnim jezgrima poput tipa koji stvaramo ovde. Dakle, 75 godina nakon prvobitnog otkrića, trka za otkrivanjem sledećeg magičnog broja još uvek traje.
