Granice świata nuklidów

Podobne dokumenty
Pψ ψ ψ. r p r p. r r, θ π θ, ϕ π + ϕ. , 1 l m

Fizyka promieniowania jonizującego. Zygmunt Szefliński

Rozpady promieniotwórcze

Rozpady promieniotwórcze

2008/2009. Seweryn Kowalski IVp IF pok.424

Podstawowe własności jąder atomowych

Podstawy fizyki subatomowej. 3 kwietnia 2019 r.

Eksperymenty z wykorzystaniem wiązek radioaktywnych

O egzotycznych nuklidach i ich promieniotwórczości

Eksperymenty z wykorzystaniem wiązek radioaktywnych

Jądra dalekie od stabilności

Elementy Fizyki Jądrowej. Wykład 8 Rozszczepienie jąder i fizyka neutronów

Energetyka konwencjonalna odnawialna i jądrowa

Wstęp do fizyki jądrowej Tomasz Pawlak, 2013

Reakcje rozpadu jądra atomowego

Jądra dalekie od stabilności

Fizyka współczesna. Jądro atomowe podstawy Odkrycie jądra atomowego: 1911, Rutherford Rozpraszanie cząstek alfa na cienkich warstwach metalu

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

Promieniowanie jądrowe w środowisku człowieka

Promieniowanie jonizujące

Zadania powtórkowe do egzaminu maturalnego z chemii Budowa atomu, układ okresowy i promieniotwórczość

Energetyka konwencjonalna odnawialna i jądrowa

A - liczba nukleonów w jądrze (protonów i neutronów razem) Z liczba protonów A-Z liczba neutronów

Spis treści. Trwałość jądra atomowego. Okres połowicznego rozpadu

FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych

Opracowała: mgr Agata Wiśniewska PRZYKŁADOWE SPRAWDZIANY WIADOMOŚCI l UMIEJĘTNOŚCI Współczesny model budowy atomu (wersja A)

Własności jąder w stanie podstawowym

Odkrycie jądra atomowego - doświadczenie Rutherforda 1909 r.

Rozpad alfa. albo od stanów wzbudzonych (np. po rozpadzie beta) są to tzw. długozasięgowe cząstki alfa

I ,11-1, 1, C, , 1, C

CHEMIA LEKCJA 1. Budowa atomu, Izotopy Promieniotwórczość naturalna i sztuczna. Model atomu Bohra

Autorzy: Zbigniew Kąkol, Piotr Morawski

Co to są jądra superciężkie?

r. akad. 2012/2013 Wykład IX-X Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich Fizyka jądrowa Zakład Biofizyki 1

Wykres Herzsprunga-Russela (H-R) Reakcje termojądrowe - B.Kamys 1

Podstawy Fizyki Jądrowej

2008/2009. Seweryn Kowalski IVp IF pok.424

doświadczenie Rutheforda Jądro atomowe składa się z nuklonów: neutronów (obojętnych elektrycznie) i protonów (posiadających ładunek dodatni +e)

Zadanie 3. (2 pkt) Uzupełnij zapis, podając liczbę masową i atomową produktu przemiany oraz jego symbol chemiczny. Th... + α

OCHRONA RADIOLOGICZNA PACJENTA. Promieniotwórczość

I etap ewolucji :od ciągu głównego do olbrzyma

Fragmentacja pocisków

Energetyka Jądrowa. Wykład 3 14 marca Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów

pobrano z serwisu Fizyka Dla Każdego - - zadania z fizyki, wzory fizyczne, fizyka matura

Wykłady z Geochemii Ogólnej

UKŁAD OKRESOWY PIERWIASTKÓW

Fizyka jądrowa. Podstawowe pojęcia. Izotopy. budowa jądra atomowego przemiany promieniotwórcze reakcje jądrowe. jądra atomowe (nuklidy) dzielimy na:

Promieniowanie jonizujące

Energetyka jądrowa. Energetyka jądrowa

1. JĄDROWA BUDOWA ATOMU. A1 - POZIOM PODSTAWOWY.

Fizyka 2. Janusz Andrzejewski

Atomowa budowa materii

Poziom nieco zaawansowany Wykład 2

Budowa atomu. Izotopy

Promieniowanie jonizujące

Elementy Fizyki Jądrowej. Wykład 3 Promieniotwórczość naturalna

13. Izotopy. Atomy tego samego pierwiastka chemicznego mogą występować w postaci izotopów, to jest atomów o rożnych liczbach masowych, co w

Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią

FIZYKA IV etap edukacyjny zakres podstawowy

autor: Włodzimierz Wolczyński rozwiązywał (a)... ARKUSIK 40 FIZYKA JĄDROWA

Fizyka jądrowa cz. 2. Reakcje jądrowe. Teraz stałem się Śmiercią, niszczycielem światów. Robert Oppenheimer

W2. Struktura jądra atomowego

Podstawowe własności jąder atomowych

Reakcje jądrowe dr inż. Romuald Kędzierski

Podstawy Fizyki Jądrowej

BUDOWA ATOMU. Pierwiastki chemiczne

Oddziaływanie cząstek z materią

Fizyka jądrowa. Podstawowe pojęcia

Ćwiczenie 3. POMIAR ZASIĘGU CZĄSTEK α W POWIETRZU Rozpad α

Promieniotwórczość naturalna. Jądro atomu i jego budowa.

E 2 E = 2. Zjawisko Mössbauera. Spoczywające jądro doznaje przejścia e-m z emisją fotonu γ. Zastosujmy zasadę zachowania energii i pędu:

Energetyka Jądrowa. Wykład 28 lutego Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów

Promieniotwórczość a historia świata. Marek Pfützner

Budowa atomu. Wiązania chemiczne

Elektron i proton jako cząstki przyspieszane

Zadanie 2. (1 pkt) Jądro izotopu U zawiera A. 235 neutronów. B. 327 nukleonów. C. 143 neutrony. D. 92 nukleony

Następnie powstały trwały izotop - azot-14 - reaguje z trzecim protonem, przekształcając się w nietrwały tlen-15:

Promieniowanie jonizujące

PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ. A) równa B) mniejsza C) większa D) nie mniejsza (sumie) od sumy mas protonów i neutronów wchodzących w jego skład.

FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych

Po 1 mld lat (temperatura Wszechświata ok. 10 K) powstają pierwsze gwiazdy.

W-28 (Jaroszewicz) 36 slajdy Na podstawie prezentacji prof. J. Rutkowskiego. Fizyka jądrowa cz. 1. budowa jądra atomowego przemiany promieniotwórcze

3. Jaka jest masa atomowa pierwiastka E w następujących związkach? Który to pierwiastek? EO o masie cząsteczkowej 28 [u]

Wykłady z Chemii Ogólnej i Biochemii. Dr Sławomir Lis

Powstanie pierwiastków we Wszechświecie

Porównanie statystyk. ~1/(e x -1) ~e -x ~1/(e x +1) x=( - )/kt. - potencjał chemiczny

Reakcje jądrowe. X 1 + X 2 Y 1 + Y b 1 + b 2

Energetyka w Środowisku Naturalnym

Elementy fizyki jądrowej

Anna Grych Test z budowy atomu i wiązań chemicznych

Reakcje rozszczepienia jądra i ich wykorzystanie

Cząstki elementarne. Składnikami materii są leptony, mezony i bariony. Leptony są niepodzielne. Mezony i bariony składają się z kwarków.

NEUTRONOWA ANALIZA AKTYWACYJNA ANALITYKA W KONTROLI JAKOŚCI PODSTAWOWE INFORMACJE O REAKCJACH JĄDROWYCH - NEUTRONOWA ANALIZA AKTYWACYJNA

Modele jądra atomowego

Doświadczenie Rutherforda. Budowa jądra atomowego.

dra superci kie 1. Co to s dra superci kie? 2. Metody syntezy j der superci kich 3. Odkryte j dra superci

Widma atomowe. Fizyka atomowa i jądrowa. Dawne modele atomu. Widma atomowe. Linie emisyjne kwantowanie poziomów energetycznych

Rozpad gamma. Przez konwersję wewnętrzną (emisję wirtualnego kwantu gamma, który przekazuje swą energię elektronom z powłoki atomowej)

Dwie lub więcej cząstek poza zamkniętą powłoką

FIZYKA KLASA I LICEUM OGÓLNOKSZTAŁCĄCEGO

Transkrypt:

Granice świata nuklidów Marek Pfützner e-mail: pfutzner@fuw.edu.pl http://www.fuw.edu.pl/~pfutzner/ Ogólnopolskie Seminarium Dydaktyki Fizyki, 9.04.2014 1

Plan Wiadomości wstępne, dla przypomnienia Obszar znanych nuklidów i jego rozwój w czasie Model kroplowy i jego przewidywania Wykorzystanie programu Mathematica Mapa nuklidów wg modelu zaawansowanego Nuklidy na granicy neutrono-deficytowej Detektor OTPC i badanie promieniotwórczości 2p Nuklidy na granicy neutrono-nadmiarowej Przykład: badanie rozpadu 6 He Stabilność ze względu na rozszczepienie i jądra najcięższe. Stan badań nad pierwiastkami superciężkimi 2

Atomy i jądra atomowe + wodór, Z = 1 Elektrycznie ujemny elektron orbituje wokół punktu o dodatnim ładunku Jądra atomowe zbudowane są z dwóch rodzajów cząstek (nukleonów): dodatnio naładowanych protonów i obojętnych elektrycznie neutronów Jądro atomu węgla składa się z dwunastu cząstek (A = 12): sześciu (Z = 6) protonów i z sześciu neutronów. +6 węgiel, Z = 6 Sześć elektronów krąży wokół punktu o ładunku +6 Ten punkt, to jądro atomowe, które skupia w sobie prawie całą masę atomu, mając przy tym bardzo małe rozmiary. Promień jądra atomowego można z dobrym przybliżeniem wyrazić przez: 1 3 15 R = 1.2 A fm 1 fm = 10 m Promień jądra węgla ( R 3 fm ) jest ok. 3000 razy mniejszy od średniego promienia pierwszej orbity elektronowej Za to gęstość materii jądrowej jest olbrzymia 11 3 i wynosi średnio 2 10 kg/cm, co odpowiada ok. 20 tys. wież Eiffla na cm 3! 3

Mapa nuklidów Nuklidy trwałe 287 nuklidów, w tym 83 pierwiastki od wodoru (Z=1) do uranu (Z=92) Nuklidy metatrwałe U : T = 4.5 10 lat 238 9 92 1 2 U : T = 7.0 10 lat 235 8 92 1 2 Th : T = 1.4 10 lat 232 10 90 1 2 Wiek Układu Słonecznego: Wiek Wszechświata: 9 4.6 10 lat 9 13.8 10 lat 4

Mapa nuklidów Nuklidy znane nuklidy neutrononadmiarowe nuklidy neutronodeficytowe ścieżka stabilności izobary, A=const. izotopy, Z=const. izotony, N=const. 5

Odkrywanie nuklidów Historia odkryć wszystkich znanych nuklidów zebrana przez M. Thoennessena z NSCL/MSU (USA) http://www.nscl.msu.edu/~thoennes/isotopes/ 6

Masa nuklidu i energia wiązania Masa nuklidu (obojetnego atomu) o liczbach A i Z: 2 (, ) = + ( ) (, ) M A Z Z M A Z m B A Z c M H m n B ( A, Z ) H masa atomu wodoru masa neutronu energia wiązania n = mp + me 13.6 ev = 938.783 MeV/c 2 = 939.565 MeV/c Energia separacji neutronu z nuklidu o liczbach A i Z: (, ) + ( ) ( 1, ) + n ( ) = (, ) ( 1, ) S ( 2 n) = B ( A, Z ) B ( A 2, Z ) M A Z S n M A Z m S n B A Z B A Z Analogicznie energia separacji protonu z nuklidu o liczbach A i Z: ( ) ( ) ( ) M A, Z + S p M A 1, Z 1 + M H ( ) = (, ) ( 1, 1) S ( 2 p) = B ( A, Z ) B ( A 2, Z 2) S p B A Z B A Z Nuklidy są związane jądrowo, gdy energie separacji nukleonów są dodatnie. Gdy energia separacji staje się ujemna, możliwa jest spontaniczna emisja nukleonu 2 7

Model kroplowy Bardzo prosty model energii wiązania zadziwiająco dobrze opisuje wiele obserwacji związanych z masami nuklidów. Model ten opiera się na analogii z kroplami cieczy. Sformułowali go Bethe i Weizsäcker (1935): 2 2 3 Z B ( A, Z ) bv A bs A bc b 1 3 A sym ( A 2Z ) 2 A objętość powierzchnia odpychanie kulombowskie symetria N/Z Wartości współczynników otrzymano porównując tę formułę do danych doświadczalnych. Jeden z popularnych zestawów współczynników: b V = 15.8 MeV b S = 18.3 MeV b = 0.714 MeV b sym = 23.2 MeV C 8

Energia wiązania na nukleon Szybki podgląd: dla każdej liczby A zakładamy, że Z = A/2. Tworzymy wykres energii wiązania na nukleon w zależności od A.... a tu opada, bo przeważa odpychanie między protonami Tu krzywa rośnie, bo zwiększa się stosunek objętości do powierzchni... Wygodną jednostką energii może być tu 1pJ 12 1 pj = 10 J = 6.242 MeV 9

Synteza i podział Łącząc jądra lekkie, utworzymy jądro większe, ale silniej związane! Rozdzielając jądro ciężkie, uzyskujemy jądra mniejsze, ale silniej związane! Przy syntzie jąder lekkich i rozszczepieniu jąder ciężkich wydziela się energia Przy rozszczepieniu jednego jądra 235 U wydziela się ok. 200 MeV (35 pj). Dla porównania: chemiczne spalenie jednego atomu węgla daje ok. 3 ev (5 10 7 pj), czyli ok. 70 milionów razy mniej! 10

Źródła energii http://xkcd.com/1162/ 11

Mathematica http://www.wolfram.com/ 12

Porównanie z eksperymentem Dla każdej liczby A wybieramy najsilniej związane jądro, czyli takie, które ma największą energię wiązania na jeden nukleon. Prorównujemy przewidywania modelu kroplowego z wartościami zmierzonymi. 13

Ścieżka stabilności β Posługując się modelem kroplowym możemy dla każdej wartości liczby masowej A obliczyć liczbę Z najsilniej związanego izobaru. Wyznaczymy w ten sposób przewidywaną scieżkę stabilności. ścieżka stabilności wg modelu kroplowego? 14

Sprawdzian dla wszystkich nuklidów Energia wiązania na nukleon: różnica (eksperyment model BW) na mapie nuklidów MeV + 0.68 0.10 15

Efekt parzystości Przyglądamy się dokładniej izotopom Z = 50 i Z = 51 Widoczny efekt parzystości liczb N i Z Jądra parzysto-parzyste są związane silniej niż parzysto-nieparzyste Jądra nieparzystonieparzyste są związane słabiej niż parzystonieparzyste Z = 50 Z = 51 16

Energia pairing Wprowadzamy poprawkę do modelu, która opisuje efekt parzystości liczb N i Z. Dodajemy człon postaci: parz.-parz. 12 MeV Bpair = 0 parz.-nieparz = A nieparz.-nieparz. Pełny model kroplowy Bethego Weizsäckera z energią pairing: ( A 2 Z ) 2 2 2 3 Z 2 BW (, ) = V S C sym + 1 3 pair B A Z b A b A b b B A A Z = 50 Z = 51 z energią pairing 17

Jądrowe powłoki, liczby magiczne Energia wiązania na nukleon: eksperyment model BW z energią pairing 82 N=Z 126 50 82 28 28 50 18

Granice stabilności model kroplowy Granice stabilności ze względu na emisję nukleonów według modelu BW ( ) ( ) ( ) ( ) S n > 0, S 2n > 0 S p > 0, S 2 p > 0 19

Granice stabilności model zaawansowany Przewidywania zaawansowanych modeli teoretycznych dla nuklidów parzystoparzystych. Z rachunków tych wynika, że powinno być 6900 ± 500 nuklidów jądrowo związanych. Z tej liczby odkryliśmy dotychczas ok. 3000. J. Erler et al., Nature 486 (2012) 509 20

Przy nadmiarze neutronów Związany układ neutronów ( ) i protonów ( ) przedstawiamy jako cząstki uwięzione w jamie potencjału wytworzonego przez siły jądrowe. S ( n ) < 0 V(r) r r Gdy w jądrze jest zbyt dużo neutronów, korzystna energetycznie jest zamiana neutronu w proton, czyli przemiana β. Gdy przekraczamy linię odpadania neutronu (neutron drip-line), neutron staje się niezwiązany, a energia separacji ujemna: S(n) < 0. Niezwiązany neutron natychmiast ucieka z jądra. 21

Przy nadmiarze protonów Związany układ neutronów ( ) i protonów ( ) przedstawiamy jako cząstki uwięzione w jamie potencjału wytworzonego przez siły jądrowe. V(r) S ( p ) < 0 r r Dopóki prawdopodobieństwo kwantowego tunelowania przez barierę nie jest dostatecznie duże, niezwiązany proton ulega przemianie β + Gdy w jądrze jest zbyt dużo protonów, korzystna energetycznie jest zamiana protonu w neutron, czyli przemiana β +. Gdy przekraczamy linię odpadania protonu (proton drip-line), proton staje się niezwiązany, a energia separacji ujemna: S(p) < 0. Niezwiązany proton nie może uciec, bo musi przetunelować przez barierę potencjału! 22

Promieniotwórczość p i 2p Niezwiązane jądra (S(p) < 0) o nieparzystym Z wykazują promieniotwórczość protonową (p) V(r) r r Dla niezwiązanego jądra o parzystym Z moga zajść warunki S(p) > 0 i S(2p) < 0. Wówczas może wystąpić promieniotwórczość dwu-protonowa (2p). 23

Nowy typ detektora Nowatorski detektor zaprojektowany i skonstruowany w Warszawie. Rejestruje tory cząstek naładowanych metodą fotografii cyfrowej OTPC Optical Time Projection Chamber

Obserwacja emisji 2p 45 Fe, 2p 45 Fe, 2p 45 Fe, 2p 48 Ni, 2p 48 Ni, 2p 48 Ni, 2p 46 Fe, βp

Stan badań nad emisją 2p 66,67 Kr Promieniotwórczość 2p po raz pierwszy zaobserwowano w 45 Fe. Później także w 54 Zn, 48 Ni and 19 Mg. 54 Zn 58,59 Ge 62,63 Se W lekkich nuklidach bariera kulombowska jest niska i emisja zachodzi bardzo szybko. T 1/2 ( 19 Mg) = 4 ps! 30 Ar 34 Ca 48 Ni 45 Fe 26 S 12 O 19 Mg 16 Ne Emitery 2p - przewidywany - obserwowany 6 Be - zmierzono korelacje p-p M. Pfützner, Alpha decay as a probe of nuclear structure, Stockholm, September 12-13, 2013 26

Przewidywania dla nuklidów cięższych Przewidywania oparte na najnowszych, zaawansowanych obliczenia mas i prostym modelu emisji protonów jednoczesna emisja 2p szybsza niż przemiana β + 85 Pd 92,93 Sn 89 Cd 103 Te Z=50 w 103 Te możliwa konkurencja 2p i α 77,78 Mo 73 Zr 81,82 Ru 65,66 Kr 69,70 Sr 62 Se 57 Ge 52,53 Zn 54 Zn 48 Ni Z=28 45 Fe N=50 27

Przewidywania dla nuklidów cięższych Powyżej teluru granicę stabilości określa sekewncyjna emisja protonów, a powyżej ołowiu rozpad α N=Z Z=82 sekwencyjna emisja pp szybsza niż przemiana β + 145 Hf konkurencja emisji p i α 110 Ba 103 Te Z=50 N=50 N=82 28

Linia odpadania neutronu Od N=32 linia odpadania neutronu odchodzi daleko poza zasięg dzisiejszych eksperymentów Daleko od ścieżki stabilności niektóre liczby magiczne zanikaja, a pojawiają się nowe! 29

Halo neutronowe W lekkich jądrach o wielkiej nadwyżce neutronów, takich jak 6 He, 11 Li, 14 Be obserwuje się zajwisko halo neutronowego funkcja falowa neutronów rozciąga się daleko poza rdzeń jądra 30

Badanie halo w 6 He d α b d 10 6 6 He 100% α + d Eksperyment z OTPC w CERN-Isolde Raz na milion przypadków 6 He rozpada się na cząstkę α i deuteron. Takie rozpady niosą informację o strukturze halo neutronowego w 6 He 31

Rozszczepienie Na podstawie modelu kroplowego możemy też ocenić które jądra będą nietrwałe ze względu na spontaniczne rozszczepienie. Badamy jak energia, początkowo sferycznego jądra, zmienia się, gdy deformujemy go w elipsoidę bez zmiany objętości ( ) a = R 1+ ε b = R ( 1+ ε ) 1 2 a 2 2 2 b powierzchnia: S = 4 π R 1 + ε +... 5 1 2 energia kulombowska: EC = EC ( 0) 1 ε +... 5 całkowita zmiana energii: 2 1 Z E = E ( ε ) E ( 0) = bs A b 5 5 A E < Układ będzie nietrwały gdy: 0 2 Z A 2bS > = 51.3 b C 2 2 3 2 C ε 1 3 W praktyce spodziewamy się szybkiego rozszczepienia już dla 2 Z 43 A 32

Nuklidy najcięższe 116=Lv 114=Fl 33

Efekty powłokowe 34

W stronę wyspy stabilności? 35

Zimna fuzja 36

Gorąca fuzja Radioaktywne tarcze: 249 Bk 243 Am 37

Warszawski model reakcji fuzji 38

Podsumowanie Prosty model kroplowy energii wiązania jąder daje niezły globalny opis mapy nuklidów, powala ujawnić i zrozumieć wiele faktów dotyczących stabilności jądrowej. Dzięki temu model ten ma dużą wartość dydaktyczną. Doświadczalnie osiągnęliśmy linię odpadania protonów aż do bizmutu (Z=83). Jednak dzięki barierze kulombowskiej, wiele nuklidów poza tą linią ma długi czas życia i doznaje przemian beta. Granica stabilności ze względu na emisję protonów jest jeszcze daleko poza zasięgiem eksperymentu dla Z>30. Linię odpadania neutronu osiągnęliśmy niemal do N=32, dla większych liczb N jest ona daleko poza zasięgiem współczesnych eksperymentów. Struktura jąder o wielkim nadmiarze neutronów kryje wiele zagadek. Granicą dla jąder superciężkich jest spontaniczne rozszczepienie. Kluczową rolę dla ich stabilności odgrywają efekty powłokowe (struktura mikroskopowa). Istnienie wyspy superciężkich, metatrwałych nuklidów jest ciągle otwarte. Niedawno IUPAC uznał odkrycia pierwiastków 112 (Cp), 114 (Fl) i 116 (Lv). Narasta świadectwo na istnienie pierwiastków 113, 115, 117 118. 39

Dziękuję! pfutzner@fuw.edu.pl http://www.fuw.edu.pl/~pfutzner/ 40

41

Powolny (s) wychwyt neutronów Mapa nuklidów Z = 82 N = 126 liczba protonów Z Z = 20 Z = 28 Z = 50 N = 50 Proces s przebiega powoli, N = 82 w pobliżu dna jądrowej doliny jądra trwałe β + / WE β - α rozszczepienie Z = 2 Z = 8 N = 2 N = 8 Reakcje N termojądrowe = 28 w gwiazdach N = 20 liczba neutronów N 42

Raptowny (r) wychwyt neutronów Mapa nuklidów Podczas wybuchu supernowej, strumień neutronów jest tak intensywny, że tworzą się jądra bardzo bogate w neutrony, które później poprzez szereg Z = 82 przemian β powracają na dno jądrowej doliny N = 126 liczba protonów Z Z = 20 Z = 28 Z = 50 N = 50 N = 82 Proces r jądra trwałe β + / WE β - α rozszczepienie Z = 8 N = 28 Z = 2 N = 2 N = 8 N = 20 liczba neutronów N 43

Nowy detektor gazowy Komora jonizacyjna z projekcją czasu i z odczytem optycznym (OTPC) Gaz roboczy (He/Ar/N 2 ) w polu elektrycznym Promieniotwórczy jon Oderwane elektrony dryfują z prędkością 1 cm/µs Wzmocnienie gazowe Światło