Słowniczek pojęć fizyki jądrowej

Transkrypt

1 Słowniczek pojęć fizyki jądrowej atom - najmniejsza ilość pierwiastka jaka może istnieć. Atomy składają się z małego, gęstego jądra, zbudowanego z protonów i neutronów (nazywanych inaczej nukleonami), otoczonego poruszającymi się elektronami. Liczba elektronów jest równa liczbie protonów, a więc wypadkowy ładunek jest równy zeru. Można przyjmować, że elektrony krążą po kołowych lub eliptycznych orbitach (teoria atomu Bohra) lub bardziej ściśle, w obszarze przestrzeni wokół jądra atomowego. Struktura elektronowa atomu, określa sposób, w jaki elektrony są rozmieszczone wokół jądra, w szczególności poziomy energetyczne na jakich się znajdują. Każdy elektron można scharakteryzować za pomocą zbioru czterech następujących czterech liczb kwantowych 1. główna liczba kwantowa n 2. orbitalna liczba kwantowa l 3. magnetyczna liczba kwantowa m 4. spinowa liczba kwantowa m s akcelerator - urządzenie służące do zwiększania energii kinetycznej cząstek naładowanych cyklotron - cykliczny akcelerator cząstek, w którym naładowane cząstki wprowadzone do środka urządzenia są przyspieszane po torze spiralnym wewnątrz dwóch wydrążonych przewodników w kształcie litery D (złożonych tak, jakby były rozciętym kołem), zwanych duantami. Pole magnetyczne jest prostopadłe do płaszczyzny duantów, a do duantów przyłożona jest zmienna różnica potencjałów. Częstość zmiennej różnicy potencjałów jest tak dobrana, by cząstki były przyspieszane za każdym razem, gdy ich tor przechodzi przez szczelinę między duantami. Pole magnetyczne zakrzywia tor ich ruchu. Po paru tysiącach okrążeń wewnątrz duantów, cząstki docierają do ich krawędzi, gdzie pole odchylające kieruje je na tarczę. W urządzeniu tym protony mogą osiągać energię 10MeV. Pierwszy działający cyklotron zbudował Ernest Orlando Lawrence ( ). warszawski cyklotron - pierwsze plany zbudowania cyklotronu w Warszawie, pojawiły się zaraz po zbudowaniu przez Lawrence'a cyklotronu w Berkeley. Decyzję podjęto jednak dopiero w 1972r. - warszawskie urządzenie miało być podobne do ciężko-jonowego cyklotronu U200 w Dubnej. Cały projekt uwieńczony został sukcesem zainstalowania urządzenia w 1989r. W listopadzie 1993r. uzyskano

2 pierwszą wiązkę jonów 20 Ne 2+, a na wiosnę 1994r. uzyskano wiązki z jonów węgla, azotu, tlenu i neonu. Pierwsze pełne eksperymenty zaczęto w 1996r. Magnes jest zbudowany w taki sposób aby jony ze stosunkiem liczby masowej do ładunku elektrycznego A/Q = 4 mogły być przyspieszane bez żadnych poprawek. Źródło jonów bazuje na ECR czyli na Elektronowym Rezonansie Cyklotronowym. Obecnie zapewnia ono wiązki uzyskiwane ze związków chemicznych w postaci gazowej. Prowadzone są też prace mające na celu powiększenie możliwości uzyskiwania wiązek, przede wszystkim z pierwiastków metalicznych. Źródło jonów, które umieszczone jest pod ziemią, połączone jest z centrum cyklotronu za pomocą tzw. linii iniekcyjnej. Wiązka jonów utworzona w źródle jest ogniskowana przez soczewkę elektrostatyczną i magnetyczną, które są umieszczone przy wejściu do elektromagnesu. Ten elektromagnes spełnia jednocześnie zadania elementu odchylającego i analizującego. Odgięta wiązka jest kierowana następnie do centrum cyklotronu przy użyciu soczewek magnetycznych. Dalej w obszar przyspieszania cyklotronu, wiązkę jonów ze źródła wprowadza tzw. elektrostatyczny inflektor zwierciadlany. Po wielu obrotach wewnątrz komory cyklotronu jony uzyskują odpowiednią energię i aby mogły zostać wykorzystane w eksperymentach należy je wyprowadzić do jonowodów i dostarczyć do odpowiednich urządzeń. Istnieją dwie metody ekstrakcji wiązki jonowej w celu dostarczenia użytecznej do celów badawczych, zewnętrznej wiązki. Pierwsza - elektrostatyczne odchylanie toru wiązki, polega na zaaplikowaniu wysokiego napięcia w celu zaburzenia ruchu przyspieszanych jonów, których radialna składowa pędu zostaje skierowana na zewnątrz toru ruchu. Druga, to tzw. odarcie (ang. stripping) polega ona na umieszczeniu cienkiej folii z węgla lub innej metalicznej substancji, w wybranej pozycji komory cyklotronowej. Podczas przejścia przyspieszanych jonów przez folię (niemierzalne straty energii), zostają uwolnione dodatkowe elektrony co przyczynia się do zwiększenia ładunku jonów w wiązce. Masa jonu pozostaje niezmieniona więc przy zmienionym ładunku musi zmienić się promień krzywizny, po którym poruszał w polu magnetycznym: E m q m ( ) B r

3 gdzie E energia jonu; q ładunek jonu; m masa jonu; r promień orbity; B indukcja pola magnetycznego. To powoduje, że jon może opuścić komorę cyklotronową i wylecieć na zewnątrz do jonowodu. W urządzeniu tym jony mogą uzyskiwać energie do 10 MeV*A dla jonów od 10 B do 40 Ar. Więcej na ten temat znajduje się na stronach warszawskiego cyklotronu [14]. czas życia - średni czas, podczas którego cząstka lub jądro promieniotwórcze znajduje się w danym stanie kwantowym, zanim nastąpi rozpad lub też przejście atomu ze stanu wzbudzonego do niższego stanu energetycznego izotop - jeden z dwóch lub większej liczby atomów tego samego pierwiastka o takiej samej liczbie protonów w jądrze, ale różnej liczbie neutronów. jadro atomowe - centralna część atomu, w której jest skupiona większość jego masy. Ma ładunek dodatni i zawiera jeden lub więcej nukleonów (protonów lub neutronów). Ładunek dodatni jądra jest określony przez liczbę protonów (liczba atomowa) i w obojętnym atomie jest on zneutralizowany przez taką samą liczbę elektronów poruszających się wokół jądra. Neutrony dają wkład do masy atomu (liczba masowa) ale nie dają wkładu do ładunku jądra. Najcięższym jądrem występującym w przyrodzie jest jądro uranu - 238, zawierające 92 protony i 146 neutronów. Symbolem tego nuklidu jest U - górny wskaźnik to liczba masowa, a dolny - liczba atomowa. We wszystkich jądrach liczba masowa A jest równa sumie liczby atomowej Z i liczby neutronów N : A = Z + N konwersja wewnętrzna elektronu - proces w którym wzbudzone jądro atomowe przechodzi do stanu podstawowego, a uwolniona energia zostaje przekazana dzięki sprzężeniu elektromagnetycznemu jednemu ze związanych w atomie elektronów, a nie emitowana w postaci fotonu. Zazwyczaj sprzężenie dotyczy elektronu z powłoki K, L lub M. Elektron taki jest wyrzucany z atomu z energią kinetyczną równą różnicy energii wzbudzenia jądra i energii wiązania elektronu. Powstający wskutek tego procesu jon jest w stanie wzbudzonym i zwykle wkrótce potem emituje elektron Augera lub foton promieniowania X. poziom energetyczny - ściśle określona energia jaką może mieć układ (cząsteczka, atom, elektron, jądro). Atom może pochłonąć kwant energii i stać się atomem wzbudzonym, tylko wtedy gdy dodatkowa energia pozwoli przejść elektronowi na inną dozwoloną orbitę. Atom przechodzi z jednego poziomu energetycznego na inny, nie przechodząc przez poziomy o energii

4 odpowiadającej ułamkowi całkowitej energii przejścia. Poziomy dozwolone są zazwyczaj przez energię poszczególnych elektronów w atomie i są zawsze niższe od energii swobodnego elektronu. promieniowanie multipolowe przejścia - stany jądra, między którymi następuje przejście γ są zazwyczaj przedstawiane jako funkcje własne momentu pędu i parzystości (są to wielkości zachowujące się podczas przejść). Rozwiązań poszukujemy więc w postaci funkcji własnych momentu pędu. Rozwiązania te określą nam pola multipolowe. Funkcje własne należące do określonej wartości L odpowiadają polu promieniowania drgającego 2 L -pola klasycznego. L jest więc tzw. rzędem multipola. Dla L=1 promieniowanie jest dipolowe. Wyróżniamy jednak dwa rodzaje promieniowania dipolowego: elektryczne i magnetyczne. Drgający dipol elektryczny jest źródłem promieniowania elektrycznego, a promieniowania magnetycznego drgający dipol magnetyczny (np. kolisty obwód, w którym płynie periodycznie zmienny prąd elektryczny). Charakteryzują się one tym, że w elektrycznym promieniowaniu dipolowym nie występuje składowa radialna pola magnetycznego, a w magnetycznym promieniowaniu dipolowym brak jest składowej radialnej pola elektrycznego. Oprócz rzędu multipola L należy jeszcze określić charakter promieniowania. Promieniowanie drgającego 2 L pola elektrycznego oznaczamy EL, a 2 L -pola magnetycznego ML. Tak więc M1 oznacza magnetyczne promieniowanie dipolowe, E2 elektryczne promieniowanie kwadrupolowe, M3 magnetyczne promieniowanie oktupolowe itd. rozpad promieniotwórczy - spontaniczna przemiana jednego jądra promieniotwórczego w jądro pochodne, które może być promieniotwórcze lub nie, z emisją jednej lub większej liczby cząstek lub fotonów. Rozpad N o jąder, z których po czasie t powstaje N jąder, opisuje wzór: N = NOexp( λt) gdzie λ nazywa się stałą rozpadu. Odwrotnością stałej rozpadu jest średni czas życia. Czas potrzebny na to, by połowa jąder uległa rozpadowi, czyli N ) = (1 2 NO, nazywa się czasem połowicznego rozpadu (lub okresem połowicznego rozpadu (zaniku)). Te same pojęcia są stosowane w odniesieniu do cząstek, które spontanicznie przemieniają się w inne cząstki (np. swobodny neutron rozpada się na proton, elektron i neutrino).

5 wzbudzenie - proces, w którym jądro, elektron, atom, jon lub cząsteczka uzyskuje energię, co powoduje przejście do innego stanu kwantowego (wzbudzonego) o energii większej niż energia stanu podstawowego. Różnica między energią stanu podstawowego i energią stanu wzbudzonego nosi nazwę energii wzbudzenia. zjawisko Augera emisja elektronu z atomu w wyniku przejścia elektronu w atomie ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego, której nie towarzyszy emisja fotonu promieniowania X. Ten typ przejścia pojawia się w zakresie rentgenowskim widma emisyjnego. Energia kinetyczna wyrzuconego elektronu, zwanego elektronem Augera, jest równa energii fotonu promieniowania X odpowiadającego temu przejściu, pomniejszonej o energię wiązania elektronu Augera.