Fizyka jadrowa i jej zastosowania

Transkrypt

1 Fizyka jadrowa i jej zastosowania oraz laboratorium ISOLDE Fizyka atomowa: wstep Otwarte pytania w obecnej fizyce jadrowej Fizyka jadrowa w CERNie Fabryka izotopow ISOLDE Od wlasnosci jadra do zastosowan Magdalena Kowalska CERN, Departament Fizyki Doswiadczalnej

2 Struktura materii 2

3 Jadro atomowe: - sklad: protony I neutrony Fizyka jadrowa - ladunek elektryczny: Z x ladunek protonu - rozmiar: kilka femtometrow: m - masa: masa neutronow i protonow energia wiazania - oddzialywanie: silne > slabe > elektromagn. > grawitacyjne - czas zycia: od nanosekund do nieskonczonosci Poczatki: Fizyka jadrowa zajmuje się badaniem budowy i przemian jądra atomowego 1911 Rutherford publikuje artykul o odkryciu jadra atomowego 1932 Chadwick identyfikuje neutron 1935 Yukawa postuluje, ze oddzialywanie neutronow i protonow w jadrze jest przenoszone za pomoca czastki zwanej mezonem Nadal nie znamy wszystkich wlasnosci oddzialywania jadrowego I brak jest teorii jadra atomowego 3

4 Jadra atomowe: podstawy 4

5 Tabela pierwiastkow chemicznych 5

6 Tabela nuklidow, czyli jader atomowych Ok 300 nuklidow trwalych 3000 zidentyfikowanych nuklidow nietrwalych

7 Otwarte pytanie w obecnej fizyce jadrowej Jak wytlumaczyc tak roznorodne wlasnosci jader za pomoca jednego fundamentalnego oddzialywania protonu z neutronem 2 rodzaje czastek: ogromna liczba kombinacji i wlasnosci Jak przewidziec wlasnosci nieznanych jader Jak latwe i regularne wzory wylaniaja sie ze struktury skomplikowanych jader? 7

8 Rozpad radioaktywny Rozpad Beta: emisja elektronu lub pozytronu Rozpad Alfa: emisja jadra helu Emisja protonu lub neutronu Emisja innych czastek, np. 2 protonow (emisja gamma: przejscie jadra do stanu mniej wzbudzonego) 8

9 Badania nuklidow nietrwalych 9

10 Nuklidy nietrwale jako laboratorium relative abundance Fizyka jadrowa wlasnosci oddzialywania; granice istnienia nuklidow? 34Ne: = 10 protonow + 24 neutronow -> czy istnieje? Astrofizyka Produkcja pierwiastkow chemicznych Ewolucja gwiazd Częstość występowania pierwiastków we Wszechświecie Zastosowania, np. fizyka ciala stalego, biologia i medycyna mass

11 Fizyka jadrowa w CERN CERN: Europejskie Centrum Badan Jadrowych Chociaz punkt ciezkosci przeszedl na czastki elementarne, badania nad jadrami atomowymi nadal trwaja: Fizyka jądrowa, Astrofizyka Antymateria 1GeV 7 TeV 450GeV Fizyka jądrowa i zastosowania LHC: fizyka cząstek elementarnych i struktura nukleonów ALICE: Fizyka jadrowa (wysokich energii) Przyspieszanie czastek polem laseru protony Jądra ciężkie 4MeV/u 50 MeV 28GeV

12 ISOLDE: laboratorium CERN do produkcji I badan radioizotopow Laboratorium ISOLDE Jedno z pierwszych laboratoriow tego rodzaju Linie eksperymentalne Protony 8-9 miesiecy na rok 450 uzytkownikow, z czego ponad 30 z 7 polskich instytycji Ok. 50 eksperymentow na rok Protony 1.4 GeV z PSB HRS: Separator magnetyczny Tarcza produkcyjna HRS 12

13 Tarcze produkcyjne Ponad 20 materialow I jonizerow, w zaleznosci od interesujacej nas wiazki Obslugiwane przez roboty z powodu promieniowania tarcza p+ p+ p+ tarcza p+ p+ konwerter Tarcza z konwerterem 13 Tarcza standardowa

14 Produkcja i selekcja - przyklad 14

15 Przyklad isotopy astatu Jak wyprodukowac czyste isotopy astatu (wszystkie sa radioaktywne)? Uzyc tarczy z uranu do produkcji i laserow do selektywnej jonizacji Goraca komora jonizujaca tarcza Ekstraktor Magnes (separator masowy) Wiazki laserow spalacja Detekcja czastek protony Material tarczy I zmierzyc po raz pierwszy potencjal jonizacyjny At S. Rothe et al, Nature Communications 4 (2013),

16 protony Produkowane izotopy 300 izotopow stabilnych 3000 izotopow odkrytych do dzis Ok czeka na odkrycie neutrony ISOLDE: Ponad 1000 wyprodukowanych izotopow, 700 izotopow ponad 70 pierwiastokow chemicznych wykorzystane do badan -O wiele wiecej niz inne laboratoria na swiecie

17 Eksperymenty ISOLDE Wiele eksperymentow na stale i podrozujacych Komplementarne techniki Roznorodna tematyka Eksperymenty grup z Warszawy i Krakowa HIE-ISOLDE REX-trap RILIS HRS: tarcza i magnes ISCOOL MEDICIS GPS tarcza i magnes XT03 XT02 HIE-ISOLDE linac NICOLE REX linac TAS VITO 1.4 GeV protony MINIBALL IDS ISOLTRAP CRIS COLLAPS kolekcje Eksperymenty podrozujace

18 Pomiary mas Pulapki Penninga Pulapka Penninga: Polaczenie pola magnetycznego I elektrycznego Manipulacja jonow za pomoca pola o czestosciach radiowych Ion q/m U Charge q Mass m Czestotliwosc cyklotronowa jest odwrotnie proporcjonalna do masy atomu/jadra 18 c qb / m

19 Pomiary mass jader

20 Spektroskopia laserowa laser Wiazka jonow Zmiana predkosci wiazki deflektor Wzbudzenieobserwacja

21 Wzbudzenia i rozpady Detektory promieniowania gamma: MINIBALL Wiazki przyspieszone do kilku MeV/u

22 Rola jonow metali w biologii Badanie toksycznosci metali ciezkich (Pb, Hg) Badanie roli lzejszych metali w organizmach Mg fotosynteza Cu choroby Parkinsona i Alzheimera Metody ogromna czulosc Perturbed angular correlations Nowa metoda beta-nmr (Jadrowy Rezonans Magnetyczny -> moj projekt fundowany przez EU 22

23 PET scanners Method developed in Geneva Hospital First PET isotopes delivered by ISOLDE researchers 23

24 Nowe izotopy do terapii i. Collection at ISOLDE iv. Injection into mouse v. PET/SPECT imaging and tumor treatment 1.4 GeV Thank you PSI ii. Shipping to PSI iii. Radiochemical purification and labeling

25 Badanie polprzewodnikow Wykorzystanie rozpadu radioaktywnego znanego jadra jako bardzo czulej sondy (0110) (1120) 0 (2021) (1120) (1011) (1120) (0110) experiment Emisja kanalowa simulation S Ga sites [deg] [0001] [1102] [1101] [2113]

26 Zastosowania w medycynie Laboratorium Produkcja nowych izotopow medycznych do pierwszych testow, Przy pomocy nieuzytych protonow z ISOLDE -> mala ISOLDE I przygotowanie chemiczne Izotopy dla ISOLDE Tarcza ISOLDE dump protonow Tarcza MEDICIS 26

27 Podsumowanie - Fizyka jadrowa swietuje 100 lat, ale nadal mamy przed soba wiele ekscytujacych pytan - CERN I fizyka jadrowa to dluga historia - ISOLDE jako zrodlo jader nietrwalych - Badania jader maja wiele zastosowan

28 28