Jądra dalekie od stabilności

Transkrypt

1 Jądra dalekie od stabilności 1. Model kroplowy jądra atomowego. Ścieżka stabilności b 3. Granice Świata nuklidów 4. Rozpady z emisją ciężkich cząstek naładowanych a) rozpad a b) rozpad protonowy c) rozpad dwuprotonowy d) rozpad egzotyczny

2 Model kroplowy jądra atomowego ałożenie: jądro sferyczne R=r 0 1/3 - kropla cieczy nukleonowej Podstawa analogii: stała gęstość materii jądrowej w jądrze prawie stała wartość energii wiązania w przeliczeniu na jeden nukleon Cel: sformułowanie wzoru na energię wiązania jąder B(,)

3 Model kroplowy jądra atomowego energia wiązania B (, ) = a V a S ( ) / 3 ac a 1/ 3 SYM + δ 1/

4 Model kroplowy jądra atomowego Proporcjonalność do wynika z krótkiego zasięgu sił jądrowych (inaczej byłoby ). B (, ) = a V a S ( ) / 3 ac a 1/ 3 SYM + δ 1/

5 Model kroplowy jądra atomowego B (, ) = a V a S ( ) / 3 ac a 1/ 3 SYM + δ 1/ Ujemny wpływ powierzchni (nukleony nie mają sąsiadów do oddziaływania)

6 Model kroplowy jądra atomowego B (, ) = a V a S ( ) / 3 ac a 1/ 3 SYM + δ 1/ Ujemny wpływ odpychania elektrostatycznego protonów /r

7 Model kroplowy jądra atomowego B (, ) = a V a S ( ) / 3 ac a 1/ 3 SYM + δ 1/ Symetria między protonami i neutronami (zmniejszenie energii wiązania przy asymetrii liczby protonów względem liczby neutronów)

8 Model kroplowy jądra atomowego energia dwójkowania B (, ) = a V a S ( ) / 3 ac a 1/ 3 SYM + δ 1/

9 Energia dwójkowania δ + = 0 jądra parzysto-parzyste ( i N) jądra nieparzyste () jądra nieparzysto-nieparzyste ( i N) Energia dwójkowania wynika z faktu szczególnie dużej energii wiązania dla jąder o parzystej liczbie protonów i parzystej liczbie neutronów. ależność 1/ jest empiryczna.

10 Model kroplowy jądra atomowego energia wiązania B (, ) = a Proporcjonalność do wynika z krótkiego zasięgu sił jądrowych (inaczej byłoby ). V a S ( ) / 3 ac a 1/ 3 SYM energia dwójkowania + δ 1/ Ujemny wpływ powierzchni (nukleony nie mają sąsiadów do oddziaływania) Ujemny wpływ odpychania elektrostatycznego protonów /r Symetria między protonami i neutronami (zmniejszenie energii wiązania przy asymetrii liczby protonów względem liczby neutronów)

11 B(,)/ z modelu kroplowego: eksperyment i obliczenia a = 15.67MeV a a a V S C SYM = 17.3MeV = 0.714MeV = 3.9MeV = 11.MeV Wartości są dopasowane do danych doświadczalnych.

12 Jaki układ protonów i (-) neutronów będzie stabilny? e względu na oddziaływania silne: energia potrzebna do oderwania jednego bądź wielu nukleonów musi być dodatnia. e względu na oddziaływania słabe: układ nukleonów musi odnaleźć swoje minimum energii całkowitej zmieniając neutrony na protony lub odwrotnie. Minimum może być lokalne.

13 Stabilność ze względu na oddziaływania słabe B M (, ) = M + m B( ) (, ) = a V a = const S ( ), H n ( ) / 3 ac a 1/ 3 SYM M(,) = a + b + g d/ 1/ + δ 1/

14 parzyste i nieparzyste M M d = +D i d = D d = 0

15 = const: ile protonów? Dla = const zależność masy układu nukleonów jest zależnością paraboliczną w funkcji liczby protonów. Istnieje minimum: układ stabilny M/ = 0 dla = const ścieżka stabilności b: N - 0,4 / ( + 00)

16 Ścieżka stabilności 70 jąder stabilnych b + b -

17 Ścieżka stabilności jąder atomowych

18 Stabilność ze względu na oddziaływania silne ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1 1,, 1,, 1,, 1, ) 1 (, ) ( 1,, = = = = = = + B B S B B S B S B m B m M S B m M m M S M P N N N N H N N H N N energia separacji neutronu energia separacji protonu

19 Granice Świata nuklidów 1. Linia oderwania protonu S P = 0 S P = DB = DB D/D D B/ B/ = 0 dla N = const. Linia oderwania neutronu S N = 0 S N = DB = DB DN/DN DN B/ N B/ N = 0 dla = const

20 Ścieżka stabilności S P =0 S N =0

21 Instytut Radowy w Paryżu 11 rue Pierre-et-Marie-Curie wg. seminarium dr hab. M. Pfütznera

22 Krótka historia promieniotwórczości (I) α, β Rutherford, 1899 γ Villard, 1900 Naturę tego promieniowania wyjaśniono później : 190 promienie β to elektrony (Kaufmann) 1908 cząstki α to jony helu (Rutherford) 1914 promienie γ tej samej natury co X (Rutherford i ndrade) 1934 odkrycie przemiany β + (Curie i Joliot) Spontaniczne rozszczepienie Flerov i Pietrzak, 1940 wg. seminarium dr hab. M. Pfütznera

23 agadka przemiany α Prawo Geigera-Nuttalla 38 U E α = 4. MeV, T 1/ = 4.5 mld lat 6 Ra E α = 5 MeV, T 1/ = 1600 lat (v = 0.05 c = km/s!) 1 Po E α = 8.8 MeV, T 1/ = 0.3 µs Dlaczego półokresy rozpadu tak bardzo się różnią? wg. seminarium dr hab. M. Pfütznera

24 wg. seminarium dr hab. M. Pfütznera agadka przemiany α Jak cząstka α z wnętrza 6 Ra może znaleźć się na zewnątrz? achodzi kwantowe przenikanie przez barierę potencjału α 6 Ra α 5 MeV E α

25 wg. seminarium dr hab. M. Pfütznera agadka przemiany α Jak cząstka α z wnętrza 6 Ra może znaleźć się na zewnątrz? achodzi kwantowe przenikanie przez barierę potencjału Przy wyższej energii bariera jest cieńsza i prawdopodobieństwo przenikania gwałtownie rośnie. Rachunki kwantowe dokładnie odtwarzają prawo Geigera-Nuttalla : log T = a + b (E α ) 1/. α α 9 MeV 1 Po E α 5 MeV E α

26 Rozpady z emisją ciężkich cząstek naładowanych Rozpad α I II III I y(x) = e ikx + Be -ikx E Kα ~5 MeV II y(x) = Fe -xx + Ge xx III y(x) = Ce ikx

27 Energia rozpadu α 6 Ra 88 Æ Rn He Q α = [M( 6 Ra) - M( Rn)-M( 4 He)] c = 4,869 MeV Q α >0 S α = - Q α Spontaniczny rozpad α zachodzi dla Q α >0 dla > 73 Q α = E Kα + E Kodrz m α E Kα = p = M E Kodrz Q α = E Kα + E Kα (m α /M) M = M( Rn) E Kα =Q α /(1 + 4 /) E Kα = 4,78 MeV

28 Trwały izotop lutetu: 175 Lu Rozpad protonowy Lu 80 Æ Yb 80 + p T 1/ = 90 ms Rozpad protonowy jądra poza linią oderwania protonu, S P < 0 (ze stanu podstawowego) konkurencja: rozpad b + ( p Æ n + e + + n e ) i/lub wychwyt elektronu ( p + e - Æ n + n e ) 151 Lu Æ 151 Yb Æ 151 Tm Æ 151 Er Æ 151 HoÆ 151 Dy Æ 151 Tb Æ 151 Gd Æ 151 Eu (stab.)

29 Energia rozpadu protonowego Q P = [M( 151 Lu) - M( 150 Yb) - M( 1 H)] c = 1,41 MeV Q P = E KP + E Kodrz m P E KP = p = M E Kodrz M = M( 150 Yb) Q P = E KP + E KP (m P /M) Q P = E KP (1 + 1 /150) E KP = 1,33 MeV Energia separacji protonu S P = - Q P Bariera potencjału dla 150 Yb + p (kulombowska + odśrodkowa) V = 17 MeV

30 Energia układu 150 Yb + p V c = 17 MeV Rozpad -protonowy niemożliwy p p 1,3 MeV Lu Po E p

31 Rozpad protonowy Promieniotwórczość protonowa Eksperyment w GSI Darmstadt, 1981 rok (przy współudziale polskich fizyków) pociski: 58 8 Ni 30 ciężkie jony energia: 300 MeV reakcja: 58 8 Ni Ru Æ 154 Lu * Æ 3 n Lu 151 Lu Æ p+ 150 Yb S P = - 1,41 MeV Obecnie ok. 40 przypadków promieniotwórczości protonowej

32 Mapa nuklidów Przemiana β + Emisja p = 8 p n + e + + ν e Emisja α liczba protonów, Emisja p? X -1 Y + p = 50 N = 8 Przemiana β - N = 16 X N Y + - N- α -trwałe -rozszczepienie = 8 = 0 N = 50 n p + e - + ν e - α - β - - β + = = 8 N = N = 8 N = 0 N = 8 liczba neutronów, N -p wg. seminarium dr hab. M. Pfütznera

33 Emisja dwóch protonów z jądra atomowego energia p p (,N) (-1,N) (-,N) (,N) (-1,N) (-,N) Stany jądrowe - wzbudzone : Mg, 6 Si (83),..., 14 O (96) -podstawowe : 6 Be (89), 1 O (94) Poszukiwany! -podejrzani : 45 Fe, 48 Ni, 54 n? wg. seminarium dr hab. M. Pfütznera

34 Jak rozpada się 45 Fe? by doszło do emisji p oba protony muszą przetunelować przez barierę zanim zajdzie przemiana β + 1 µs < T p < 10 ms; E p 1MeV 6 45 Fe β + Najbliższy trwały 7 neutronów dalej Wyzwanie dla eksperymentu Bardzo trudno wytworzyć 45 Fe : można liczyć najwyżej na kilkanaście atomów. Dostrzec słaby sygnał (1 MeV) kilka µs po zatrzymaniu 45 Fe (1000 MeV). Odróżnić p od β Mn 43 Cr p β + 45 Mn 43 V β + 45 Cr N wg. seminarium dr hab. M. Pfütznera

35 Rozpad -protonowy Promieniotwórczość -protonowa Eksperyment w GSI Darmstadt, 001 rok (przy silnym udziale polskich fizyków) pociski: 58 8 Ni 30 ciężkie jony energia: 650 MeV/ reakcja: 58 8 Ni + 9 4Be Æ fragmentacja Æ 45 Fe 45 Fe Æ p + 43 Cr S P - 1,1 MeV

36 Eksperyment w GSI Darmstadt Separator fragmentów FRS /s /s 00 /s Tarcza Czas przelotu berylowa (scyntylatory) Wiązka z akceleratora 58 Ni, v = 0.8 c Produkcja Stałe pole B Selekcja E (komora jonizacyjna) Identyfikacja Pomiar czasu przelotu i strat energii pozwala zidentyfikować w locie każdy jon! Obserwacja rozpadu wg. seminarium dr hab. M. Pfütznera

37 wg. seminarium dr hab. M. Pfütznera Detekcja rozpadu 45 Fe Przemiana β + cząstka + fotony 511 kev Detektor promieniowania γ (NaI) Emisja p 511 kev Detektory krzemowe! Układ identyfikacji jonów Selektywne wyzwalanie Cyfrowa analiza sygnałów zapis pełnej historii zdarzeń przez 10 ms Komputer sterujący patrz plakat Jana Kurcewicza taśma mag.

38 Eksperyment w GSI VII 001 Eksperyment GSI VII dni pomiaru 5 dni pomiaru pocisków pocisków obserwacja 5 atomów 45 Fe 4 przypadki : E 1 MeV (brak γ) 1 przypadek : duża energia i γ (β +?) półokres T 1/ 3 ms zgodne tylko z hipotezą emisji p! Wyniki pomiarów liczenia Sygnały w detektorze po zatrzymaniu 45 Fe Energia [MeV] Eksperyment w GNIL (Caen) V 000 obserwacja atomów 45 Fe 1 przypadków w piku E 1.1 MeV (brak β i γ) półokres T 1/ 4 ms M. P. i in., Eur. Phys. J. 14, 79 (00) J. Giovinazzo i in., PRL 89, (00) wg. seminarium dr hab. M. Pfütznera

39 Uczestnicy W przygotowaniach i w eksperymencie brali udział fizycy z Warszawy, Darmstadt, Bordeaux, Oak Ridge, Knoxville i Caen. Główną rolę w zaplanowaniu i przeprowadzeniu pomiarów oraz w analizie i interpretacji wyników odegrała grupa polska : Marek Pfützner Krzysztof Rykaczewski (elektronika cyfrowa!) Robert Grzywacz enon Janas Jan Kurcewicz wg. seminarium dr hab. M. Pfütznera

40 Co dalej? Poszukiwania innych nuklidów emitujących p ( 48 Ni, 54 n,...) Rejestracja obydwu protonów oddzielnie jaka jest ich korelacja kątowa i energetyczna? jaki jest mechanizm promieniotwórczości p? jakie są korelacje par protonów wewnątrz jądra?? wg. seminarium dr hab. M. Pfütznera

41 Rozpad egzotyczny Samorzutna emisja z jądra cząstki cięższej od cząstki a: 14 C, 0 O, 3 F, 4 Ne, 5 Ne, 6 Ne, 8 Mg, 30 Mg, 3 Si i 34 Si. Emisja następuje z jąder ciężkich z zakresu: 1 Fr do 4 Cm. Prawdopodobieństwo emisji jest ok. 9 (emisja 14 C z 3 Ra) do ok. 16 (emisja 34 Si z 4 Cm) rzędów wielkości mniejsze od prawdopodobienstwa emisji a z tego samego jądra.

42 Rozpad egzotyczny z emisją 14 C Eksperyment, 1984 rok 3 88 Ra Æ a Rn T 1/ = 11 d 10-7 % Æ 14 C Pb Q a = 5,98 MeV Q( 14 C )= 9,85 MeV V = 63 MeV

43 Krótka historia promieniotwórczości (II) Przewidywanie emisji p i p V. Goldansky 1960 Odkrycie emisji p ze stanu - wzbudzonego 53m Co Jackson i in podstawowego 151 Lu Hofmann i in Dziś znamy ok. 40 emiterów p bardzo ważne narzędzie! Przewidywanie emisji 14 C, Sandulescu, Poenaru, Greiner 1981 Obserwacja 14 C z 3 Ra, Rose i Jones 1984 Do dziś zbadano ponad 0 emiterów C, O, F, Ne, Mg i Si wg. seminarium dr hab. M. Pfütznera