O egzotycznych nuklidach i ich promieniotwórczości

Transkrypt

1 O egzotycznych nuklidach i ich promieniotwórczości Marek Pfützner Instytut Fizyki Doświadczalnej Uniwersytet Warszawski Tydzień Kultury w VIII LO im. Władysława IV, 13 XII 2005

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

3 Promieniowanie Każdy atom radu spontanicznie wyrzuca cząstkę α i powstaje atom radonu. Półokres rozpadu (czas połowicznego zaniku) Ra = 1600 lat. 1 atom Ra : czekamy 1600 lat szansa na rozpad 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.

4 Nuklidy Nuklid (elektrycznie obojętny atom) : Z protonów + N neutronów + Z elektronów Liczba Z decyduje o własnościach chemicznych pierwiastki chemiczne Różne liczby N izotopy Mapa nuklidów izotopy węgla: 12 C, 13 C liczba protonów, Z 5 1 wodór hel liczba neutronów, N

5 Nuklidy trwałe 287 nuklidów, w tym 83 pierwiastki od wodoru (Z=1) do uranu (Z=92)? liczba protonów, Z liczba neutronów, N

6 Nuklidy promieniotwórcze 238 U 4.5 mld lat uran protaktyn tor 226 Ra 1600 lat rad radon polon bizmut ołów przemiana α przemiana β n p liczba neutronów N

7 Zagadki przemiany α (1) Rozważmy przemianę 226 Ra 222 Rn + α energia cząstek α, E α = 5 MeV, prędkość v = 0.05 c = km/s! Skąd bierze się energia cząstki α? Masa atomu 226 Ra jest większa niż masa atomu 222 Rn i cząstki α! M( 226 Ra) M( 222 Rn) M( 4 He) = M > 0 E α M c 2

8 Zagadki przemiany α (2) 226 Ra : E α = 5 MeV, T 1/2 = 1600 lat 238 U : E α = 4.2 MeV, T 1/2 = 4.5 mld lat 212 Po : E α = 8.8 MeV, T 1/2 = 0.3 µs Dlaczego półokresy rozpadu tak bardzo się różnią? Zrozumienie zależności półokresu rozpadu od energii wymaga zastosowania innego wielkiego odkrycia fizyki XX w. : mechaniki kwantowej.

9 Model minigolfowy Ruch ładunku w polu elektrycznym można zobrazować toczeniem się kulki po nierównej powierzchni. Kulka wtacza się na wysokość odpowiadającą początkowej energii kinetycznej α 5 MeV 222 Rn E α E α α

10 Model minigolfowy Ruch ładunku w polu elektrycznym można zobrazować toczeniem się kulki po nierównej powierzchni. Kulka wtacza się na wysokość odpowiadającą początkowej energii kinetycznej. Staczając się z tej wysokości uzyskuje tę samą energię na końcu. α 5 MeV 222 Rn E α α E α

11 Model minigolfowy Jak cząstka α z wnętrza 226 Ra może znaleźć się na zewnątrz? Zachodzi kwantowe przenikanie przez ścianę! α 226 Ra α 5 MeV E α

12 Model minigolfowy Jak cząstka α z wnętrza 226 Ra może znaleźć się na zewnątrz? Zachodzi kwantowe przenikanie przez ścianę! Przy wyższej energii ściana jest cieńsza i prawdopodobieństwo przenikania gwałtownie rośnie. α α 9 MeV 212 Po E α 5 MeV E α

13 Nuklidy odkryte do dziś Przemiana β + Emisja α Z = 82 liczba protonów, Z Emisja p p n + e + + ν e Przemiana β - Z = 50 Z X Z-1 Y + p N = 82 N = 126 X Y + α Z N Z-2 N-2 -trwałe - β + - β - Z = 20 Z = 28 N = 50 n p + e - + ν e - α -rozszczepienie -p Z = 8 N = 28 Z = 2 N = 2 N = 8 N = 20 liczba neutronów, N

14 Badania egzotycznych nuklidów (na skraju mapy) Nuklidy dalekie od ścieżki stabilności : żyją bardzo krótko, trudno je wytworzyć. Ale : mają inne własności niż nuklidy znane, są bardzo ważne poznawczo, występują wśród nich nowe zjawiska. Przykład 1 : poszukiwanie nowych pierwiastków Z = 82 N = 126 Z = 50 N = 82 Z = 2 Z = 8 Z = 20 Z = 28 N = 20 N = 28 N = 50 Przykład 2 : nowy rodzaj promieniotwórczości emisja dwóch protonów

15 Schemat współczesnego eksperymentu Produkcja (reakcja jądrowa) Selekcja Akcelerator pocisków tarcza Obserwacja magnetyczny separator produktów układ detektorów elektronika pomiarowa komputery

16 Laboratorium GSI w Darmstadt

17 Laboratorium GSI w Darmstadt Jony o energii do 1 GeV/nukleon ( 90 % c) SHIP Jony o energii 3 20 MeV/nukleon (8 20 % c)

18 Separator SHIP i synteza pierwiastka 112 Reakcja fuzji n 70 Zn 208 Pb CN pole E MeV 280 µs pole E pole B 265 Sg 269 Hs 9.23 MeV 19.7 s MeV 110 µ s znane 261 Rf 4.60 MeV (escape) 7.4 s Separator SHIP: skrzyżowane pola E i B pozwalają wybrać cząstki o ustalonej prędkości. 253 Fm 257 No 8.34 MeV 15.0 s 8.52 MeV 4.7 s

19 Synteza pierwiastków superciężkich stan obecny GSI RIKEN Japonia FLNR Rosja Ds 282

20 Laboratorium GSI w Darmstadt Jony o energii do 1 GeV/nukleon ( 90 % c) FRS Jony o energii 3 20 MeV/nukleon (8 20 % c)

21 FRS : separator fragmentów w GSI Reakcja fragmentacji 58 Ni 9 Be 45 Fe wiązka jonów tarcza pomiar czasu przelotu (s = 36 m) magnes odchylający (dipolowy) magnes ogniskujący (kwadrupolowy) detektory detektory Promień toru r cząstki o ładunku q i prędkości v w polu B B r = p/q = γ m v/q, γ = 1 / 1 (v /c) 2

22 Magnesy odchylające i ogniskujące

23 Promieniotwórczość dwuprotonowa Proces przewidziany teoretycznie przed 40 laty dla skrajnie neutronodeficytowych nuklidów. Z Fe β + Główne przeszkody w obserwacji : 1) bardzo trudno wytworzyć te nuklidy, 2) oba protony muszą przeniknąć przez ścianę zanim zajdzie przemiana β (10 ms). ostry warunek energetyczny : E 2p 1 MeV Mn 43 Cr 2p β + 45 Mn β + 45 Cr V N

24 Badanie rozpadu 45 Fe Pocisk Tarcza Detektor Separator 58 Ni v = 0.8 c = km/s beryl 72 m p p krzem elektronika komputery Wyniki : kilkanaście atomów 45 Fe wydzielona energia, E = 1.2 MeV półokres rozpadu, T 1/2 2 ms zgodne tylko z hipotezą emisji 2p!

25 rozkład izotropowy Następny krok Zmierzyliśmy jedynie sumaryczną energię i czas rozpadu! Teraz trzeba zarejestrować oba protony oddzielnie i zmierzyć ich indywidualne energie i kąt między kierunkami ich wylotu.? silna korelacja

26 Eksploracja trwa... Z = 82 liczba protonów, Z Z = 50 N = 82 N = 126 Z = 20 Z = 28 N = 50 obszar niezbadany Z = 8 N = 28 Z = 2 N = 2 N = 8 N = 20 liczba neutronów, N pfutzner@mimuw.edu.pl

27 Zakończenie Omówiłem tylko dwa przykłady badań w dziedzinie nuklidów egzotycznych. Występuje tu jednak całe bogactwo innych zjawisk. Duża część świata nuklidów nie jest jeszcze poznana, wiele zagadek czeka na rozwiązanie, gdzie są granice tego świata? czy istnieją trwałe pierwiastki superciężkie? gdzie i jak powstały w Kosmosie znane pierwiastki? czy i jak nuklidy egzotyczne różnią się od już poznanych? Badania te mają świetne perspektywy! W Niemczech, USA, Chinach i Japonii powstają nowe wielkie laboratoria poświecone fizyce nuklidów egzotycznych.

28 Planowana rozbudowa GSI Projekt zatwierdzony do realizacji

29 Zapraszam na Hożą! Ul. Hoża 69, Sala Duża Doświadczalna, 17:30 18:30