Promieniotwórczość 100 lat po Nagrodzie Nobla dla Marii Skłodowskiej-Curie

Transkrypt

1 Promieniotwórczość 100 lat o Nagrodzie Nobla dla Marii Skłodowskiej-Curie Marek Pfützner Instytut Fizyki Doświadczalnej Wydział Fizyki UW Letnia Szkoła Fizyki na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, 27 czerwca 2011

2 Przyadkowy oczątek W 1896 roku w Paryżu Antoine Henri Becquerel rzyadkiem odkrył świat zuełnie nowych zjawisk fizycznych, gdy wywołał łytkę fotograficzną, na której leżał kawałek soli uranowej.

3 1903 Nagroda Nobla z fizyki Nagroda Nobla z fizyki, 1903: w uznaniu ich nadzwyczajnych osiągnięć uzyskanych dzięki wsólnym badaniom nad zjawiskiem romieniotwórczości odkrytym rzez Profesora Henri Becquerela

4 2011 Rok Marii Skłodowskiej-Curie 2011 Międzynarodowy Rok Chemii Nagroda Nobla z chemii, 1911: w uznaniu jej zasług dla rozwoju chemii rzez odkrycie ierwiastków radu i olonu, wydzielenie radu i badania właściwości i związków tego wyjątkowego ierwiastka htt://nobelrize.org/nobel_rizes/chemistry/laureates/1911/

5 Instytut Radowy w Paryżu 11 rue Pierre-et-Marie-Curie

6 Ernest Rutherford Wydzielił dwie składowe romieniowania: α mało rzenikliwe, o dodatnim ładunku słabo zaginane w olu magnetycznym β bardziej rzenikliwe, o ujemnym ładunku silnie zaginane rzez ole magnetyczne Sformułował wykładnicze rawo sontanicznych rzemian romieniotwórczych E. Rutherford ( ) Nagroda Nobla z chemii, 1908: za badania rozadów ierwiastków i własności chemicznych substancji romieniotwórczych

7 Rozraszanie cząstek α Wsółracownicy Rutherforda, H. Geiger i E. Marsden badali rozraszanie cząstek α na cienkiej folii złota. W większości rzyadków tory cząstek uginały się od małymi kątami. Okazało się jednak, że czasem cząstka α rozrasza się do tyłu! Rutherford: "To było chyba najbardziej niewiarygodne zdarzenie w moim życiu. To tak, jakby ocisk artyleryjski wielkiego kalibru, wystrzelony w kierunku cienkiej kartki aieru, odbił się od niej i owrócił do strzelającego.

8 Odkrycie jądra atomowego Praktycznie cała masa atomu skuiona jest w bardzo małym centralnym unkcie nazwanym jądrem atomowym Philosohical Magazine, May 1911, ser.6, xxi,

9 Komora mgłowa Wilsona W rzesycone arze kroelki kondensują na jonach wytworzonych rzez rzelatującą cząstkę naładowaną 1911 Pierwsze zdjęcia śladów cząstek α Nagroda Nobla z fizyki, 1927: za oracowanie metody, która ozwala uwidocznić tory cząstek naładowanych elektrycznie orzez kondensację ary

10 Ślady cząstek α w helu Rozraszanie cząstki α na atomie helu Pierwsza reakcja jądrowa α + N O +

11 Budowa atomu Składniki : Jądro atomowe roton (q = +1) Powłoka elektronowa neutron (q = 0) elektron (q = -1) Przykłady jąder atomowych : - wodór (1 roton) +6 - hel (2 rotony + 2 neutrony) = cząstka α - węgiel (6 rotonów + 6 neutronów) : 12 C izotoy węgiel - węgiel (6 rotonów + 7 neutronów) : 13 C

12 Hierarchiczna budowa materii Kryształ 10-9 m = 1 nm Atom m = 1 Å Jądro m = 10 fm Nukleon (roton, neutron) m = 1 fm Kwarki, elektrony elementarne? unktowe?

13 Nuklidy Nuklid (elektrycznie obojętny atom) : Z rotonów + N neutronów + Z elektronów Liczba Z decyduje o własnościach chemicznych ierwiastki chemiczne Różne liczby N izotoy Symbol nuklidu Z + N Z Nn N liczba rotonów, Z 5 1 Maa nuklidów izotoy węgla: 12 C, 13 C hel wodór liczba neutronów, N

14 Nuklidy trwałe 287 nuklidów, w tym 83 ierwiastki od wodoru (Z=1) do uranu (Z=92)? liczba rotonów, Z liczba neutronów, N

15 Nuklidy romieniotwórcze 238 U 4.5 mld lat uran rotoaktyn tor 226 Ra 1600 lat rad radon olon bizmut ołów 214 Po 160 µs 218 Po 3 min. rzemiana α rzemiana β n liczba neutronów N

16 Wszystkie nuklidy Emisja α Rozszczeienie Z = 82 liczba rot tonów Z Przemiana β + Z = 50 n + e + + ν e N = 82 Przemiana β - ZX N Z-2 Y N-2 + α N = 126 ZX N Y + Z Przewidywany obszar nuklidów związanych nuklidy trwałe Z = 28 β + / WE β - Z = 20 N = 50 α Z = 8 N = 28 n + e - + ν e rozszczeienie Z = 2 N = 2 N = 8 N = 20 liczba neutronów N

17 Jądrowa dolina Masa nuklidu

18 Przemiany β jąder Zbiór nuklidów o tej samej liczbie nukleonów (izobary) 45 23V22 β + A = 45 Masa nuk klidu 45 22Ti23 β β + β 45 20Ca K Sc24 Masa( 45 V) > Masa( 45 Ti) W rzemianie 45 V 45 Ti może wydzielić się energia: E = M c 2 Teoria względności w działaniu!

19 Stany wzbudzone atom Atom: elektrony mogą znajdować się w stanach (orbitach) o różnych energiach. Przejścia między stanami związane są z emisją (lub absorcją) romieniowania elektromagnetycznego (fotonów). W zależności od różnicy energii między stanami, możemy mieć romieniowanie X, UV, widzialne lub odczerwone

20 Stany wzbudzone jądro Jądro: sytuacja jest analogiczna rotony i neutrony mogą oruszać się na różnych orbitalach o różnych energiach. Przejścia między tymi stanami także związane są z emisją (lub absorcją) romieniowania elektromagnetycznego. Nosi ono nazwę romieniowania γ. Energia [MeV] γ γ 2 3 stany wzbudzone γ 1 stan odstawowy

21 Sektroskoia jądrowa Energia [MeV] Z+1, N-1 β + /WE γ β - Z-1, N+1 Z, N Zadanie sektroskoii : oznać strukturę jąder badając rzemiany zachodzące między ich stanami

22 Statystyka Każdy atom radu sontanicznie wyrzuca cząstkę α i owstaje atom radonu. Półokres rozadu (czas ołowicznego zaniku) Ra = 1600 lat. 1 atom Ra : czekamy 1600 lat szansa na rozad α = ½ czekamy 1 sek. szansa 1/ = 1/10 11 szansa trafienia szóstki w TotoLotku 1/10 7 Ok. 1 cząstka α/sek. na kartce jest ok atomów Ra - dla fizyków to dużo, - ale dla chemików bardzo mało : 1/( ) g = 1/ g.

23 Zagadka okresów ółrozadu α 238 U : E α = 4.2 MeV, T 1/2 = 4.5 mld lat 222 Rn : E α = 5.5 MeV, T 1/2 = 3.8 dni 214 Po : E α = 7.7 MeV, T 1/2 = 164 µs Dlaczego okresy ółrozadu tak bardzo się różnią? Zrozumienie zależności ółokresu rozadu od energii wymaga zastosowania innego wielkiego odkrycia fizyki XX w. : mechaniki kwantowej.

24 Jądro atomu to obiekt kwantowy energia otencjalna neutrony rotony Siły jądrowe tworzą dołek otencjału dla neutronów i rotonów. Protony czują dodatkowo odychanie elektrostatyczne. r R odległość od środka, r Cząstki nie mogą oaść na dno dołka, muszą zajmować ółki, o dwie cząstki na ółce. (zakaz Pauliego) Przenosząc cząstki na wyższe ółki tworzymy stan wzbudzony.

25 Jak zachodzi emisja α? energia otencjalna neutrony rotony W jądrze nietrwałym ze względu na rzemianę α nukleony tworzą cząstkę α o dodatniej energii, która jednak nie może wydostać się z jamy otencjału! E α r R r Konieczny jest jakiś roces rzejścia rzez barierę tunelowanie kwantowe

26 Model minigolfowy Jak cząstka α z wnętrza 226 Ra może znaleźć się na zewnątrz? Zachodzi kwantowe rzenikanie rzez ścianę! α 226 Ra α 5 MeV E α

27 Model minigolfowy Jak cząstka α z wnętrza 226 Ra może znaleźć się na zewnątrz? Zachodzi kwantowe rzenikanie rzez ścianę! Przy wyższej energii ściana jest cieńsza i rawdo- odobieństwo rzenikania gwałtownie rośnie. α α 9 MeV 212 Po E α 5 MeV E α

28 Nowe rodzaje rzemian Przemiana β() Emisja Emisja 14 C liczba rotonów Z Emisja 2 ZX Z-1 Y + ZX N Z-6 Y N C nuklidy trwałe β + / WE β - α ZX Z-2 Y + 2 rozszczeienie, 2 liczba neutronów N

29 Schemat wsółczesnego ekserymentu Produkcja (reakcja jądrowa) Selekcja Akcelerator ocisków tarcza magnetyczny searator roduktów Obserwacja Dla każdego atomu mierzymy jego czas rzelotu między dwoma cienkimi detektorami oraz stratę energii w jednym detektorze. Pozwala to na jego jednoznaczną identyfikację! E układ detektorów elektronika omiarowa komutery

30 Searatory magnetyczne

31 Nowy detektor gazowy Komora jonizacyjna z rojekcją czasu i z odczytem otycznym (OTPC) Gaz roboczy (He/Ar/N 2 ) w olu elektrycznym Promieniotwórczy jon Oderwane elektrony dryfują z rędkością 1 cm/µs Wzmocnienie Światło

32 Pełne urządzenie OTPC Kamera CCD 2/ ikseli 16-bitów wzmacniacz obrazu (x2000) Obraz rzutu na łaszczyznę Fotoowielacz Zais intensywności światła w funkcji czasu (informacja o ołożeniu w kierunku rostoadłym do obrazu)

33 OTPC w gotowości Marzec 2011 ekseryment w laboratorium rzy Michigan State University w USA

34 Przemiana β z emisją rotonu T 1 2 = 8 ms 13 8O5 β + /WE 13 O 13 7 N6 12 6C6 + Przemiana β 13 O czasem rowadzi do stanu wzbudzonego, z którego emitowany jest roton. 13 O 5.8 ms

35 Przemiana β z emisją cząstek α T 1 2 = 11 ms 12 7 N5 β + /WE α+α+α 3α 12 N α + α + α 12 6C6 Przemiana β 12 N rowadzi do stanów wzbudzonych 12 C, które rozadają się na 3 cząstki α!c Badania takich zjawisk omagają zrozumieć jak we Wrzechświecie owstał węgiel.

36 Przemiana β z emisją dwóch rotonów Po rzemianie β mogą być wyemitowane dwa rotony 43 Cr T 1 2 = 21 ms Cr19 β + /WE 43 23V Ti Sc20 + 2

37 Przemiana β z emisją trzech rotonów Rzadki roces emisji trzech rotonów o rzemianie β zaobserwowaliśmy jako ierwsi dzięki zastosowaniu detektora OTPC! T 1 2 = 21 ms Cr19 β + /WE 43 Cr 43 23V Ti Sc Ca

38 Promieniotwórczość dwurotonowa Gdy jądro ma wielki niedobór neutronów i arzystą liczbę rotonów może wyrzucić jednocześnie dwa rotony. Ale możliwa jest też rzemiana β +! energia otencjalna neutrony rotony Dwa rotony uwięzione w jamie otencjału, odobnie jak cząstka α! Konkurencja: co zajdzie szybciej, rzemiana β, czy tunelowanie ary rotonów? E 2 r R r?

39 Badanie 45 Fe Ekseryment na Uniwersytecie stanu Michigan (USA), Fe 45 Fe Promieniotwórczość 2 Przemiana β z emisja 3 rotonów

40 45 Fe galeria zdjęć

41 Możliwe rzemiany 45 Fe 45 Fe rozada się na dwa sosoby! Albo 2 albo β + 43 Cr Mn % 70 % T 1 2 = 3 ms Fe β + /WE 45 25Mn Cr V Ca

42 Badanie 48 Ni Ekseryment na Uniwersytecie stanu Michigan (USA), marzec Ni 48 Ni Promieniotwórczość 2 Przemiana β z emisja rotonu

43 Możliwe rzemiany 48 Ni 48 Ni też rozada się na dwa sosoby! Albo 2 albo β + Fe Co atomy 2 T 1 2 = 2 ms Ni β + /WE 4 atomy 48 Ni ma największy deficyt neutronów sośród wszystkich jąder badanych dotychczas 48 27Co Fe 21 +

44 Ekscytująca ersektywa Projekt rozbudowy GSI htt://

45 Promieniotwórcza historia życia W Wielkim Wybuchu owstały wodór i hel. Cięższe ierwiastki, w tym kluczowe dla życia węgiel, tlen i in. owstały w masywnych gwiazdach w rocesach syntezy termojądrowej. Suernowe rozrzuciły materię bogatą w ierwiastki. Z materii tej owstały nastęne gwiazdy i nasz Układ Słoneczny. Dzięki oddziaływaniom słabym (romieniotwórczość β) wodór sala w Słońcu się bardzo owoli. Dało to czas otrzebny do rozwinięcia się życia na Ziemi. Cieło rozadów romieniotwóczych ogrzewa wnętrze Ziemi i naędza rocesy tektoniczne. Mogło dać oczątek życiu. Życie rozwijało się w obecności romieniowania jonizującego i jest rzystosowane do jego małych dawek. Resztki rozszczeialnych nuklidów są cennym źródłem czystej (klimatycznie) energii. 45

46 Dziękuję za uwagę!