Egzotyczne nuklidy
a historia kosmosu
Ogólnopolskie Seminarium Nauczycieli Fizyki, 16 marca 2005
Marek Pfützner
Instytut Fizyki Doświadczalnej UW
Instytut Radowy w Paryżu
11 rue Pierre-et-Marie-Curie
Ok. 1 cząstka α/sek.
T1/2(Ra) = 1600 lat
≈ 1011 atomów Ra !
Nuklidy
Nuklid (atom, zazwyczaj obojętny elektrycznie) : Z protonów + N neutronów + Z elektronów
Liczba Z decyduje o własnościach chemicznych pierwiastki chemiczne
Różne liczby N izotopy
Nuklid pozbawiony części (lub wszystkich) elektronów jon
liczba neutronów, N
liczba protonów, Z
1 5 9
1 5
Mapa nuklidów
wodór hel
izotopy węgla:
12C, 13C
Nuklidy trwałe
liczba neutronów, N
liczba protonów, Z
287 nuklidów, w tym
83 pierwiastki od wodoru (Z=1) do uranu (Z=92)
?
przemiana α
238U
4.5 mld lat
ołów bizmut uran
tor
Nuklidy promieniotwórcze
liczba neutronów N
przemiana β
n p
protaktyn
125 130 135 140 145
rad
226Ra
1600 lat
radon
polon
Z = 2 Z = 8
Z = 20 Z = 28
Z = 50
Z = 82
N = 2 N = 8
N = 20 N = 28
N = 50
N = 82
N = 126
Wszystkie nuklidy
liczba neutronów, N
liczba protonów, Z
- trwałe
- β+ - β- -α
- rozszczepienie
- p
Przemiana β+
p → n + e+ + νe Emisja p
ZX → Z-1Y + p Przemiana β-
n → p + e- + ν¯e
Emisja α
ZXN → Z-2YN-2+ α
„Terra incognita”
czeka na odkrycie i zbadanie Emisja 2p
ZX → Z-2Y + 2p
Nuklidy egzotyczne
W warunkach ziemskich niezwykle trudne do wytworzenia i bardzo nietrwałe.
Izotopy o wielkim niedoborze lub nadmiarze neutronów, czyli nuklidy bardzo dalekie od ścieżki trwałości.
Przykłady :
Jony o wielkim ładunku elektrycznym, np. jądra ciężkich pierwiastków całkowicie odarte z elektronów atomowych.
Od niedawna wytwarzane i badane w laboratoriach dzięki nowym technikom :
przyspieszania ciężkich jonów do energii relatywistycznych, separacji produktów reakcji jądrowych,
utrzymywania jonów w pierścieniu kumulacyjnym.
Dwa zagadnienia
2. Niezwykła przemiana beta, która może zachodzić tylko wtedy, gdy atom pozbawiony jest wszystkich elektronów, co zaburza bieg kosmicznego zegara.
Na dwóch przykładach zilustrujemy związek między własnościami nuklidów egzotycznych a poznawaniem historii kosmosu.
1. Pełne zrozumienie procesów nukleosyntezy wymaga zbadania nuklidów bardzo dalekich od ścieżki trwałości.
Nukleosynteza w gwiazdach
56
Fe
Liczba masowa
Energia wiązania na nukleon [MeV]
Reakcje fuzji termojądrowej zachodzące w gwiazdach prowadzą do wytworzenia pierwiastków tylko do żelaza.
Rozpowszechnienie nuklidów
Procesy s i r
Około połowa ilości nuklidów cięższych od żelaza powstała w procesie r
Procesy nukleosyntezy
proces s
proces r
proces rp
fuzja termojądrowa w gwiazdach
Liczba neutronów
Liczba protonów
Proces
r
zachodzi poza granicą znanych nuklidów !Symulacja procesu r
Wkład procesu r
Nuklidy wytworzone w procesie r
Dwa modele struktury jąder atomowych
Obserwacje własności takie jak jąder stabilnych własności
zmienione
Przewidywania mas nuklidów
Masy zmierzone
Izotopy cezu
Z = 55
R ó ż n ic e (M e V /c
2)
Pomiary mas w pierścieniu ESR
W latach 1997 – 2002 zmierzono ok. 370 mas nuklidów egoztycznych
– technika Schottky’ego – tryb izochroniczny – masy nieznane, T > 1 s – masy nieznane, T < 1 s
Dwa zagadnienia
2. Niezwykła przemiana beta, która może zachodzić tylko wtedy, gdy atom pozbawiony jest wszystkich elektronów, co zaburza bieg kosmicznego zegara.
Na dwóch przykładach zilustrujemy związek między własnościami nuklidów egzotycznych a poznawaniem historii kosmosu.
1. Pełne zrozumienie procesów nukleosyntezy wymaga zbadania nuklidów bardzo dalekich od ścieżki trwałości.
Zwykła przemiana beta
Przemiana β-
n → p + e- + ν¯e
Energia nuklidu
+ 0 N A Z
X
Wydzielona energia Q jest unoszona przez elektron i antyneutrino, które uciekają z nuklidu końcowego.
e
−ν
ee N
A
Z+1
Y
1+−1+ m Q
Przemiana może zachodzić do różnych stanów jądra końcowego.
Przypadek 187 Re
Energia nuklidu
keV 7
.
= 2 Q
+ 0 112 187
75
Re
m
e ++
1 111 187
76
Os
2+
5
2−
1 2−
3
0
keV 75 . 9
Półokres rozpadu obojętnego 187Re : T1/2 = 42.3·109 lat
Możliwa przemiana tylko do stanu pod- stawowego 187Os
Przemiana zjonizowanego 187 Re
Energia [keV]
+ 0 112 187
75
Re
2+
5
m
e ++
1 111 187
76
Os
2−
1 0
2−
3 9.75keV
0 450
2.7 keV
Przemiana zjonizowanego 187 Re
Energia [keV]
+ 0 112 187
75
Re
2+
5
m
e ++
1 111 187
76
Os
2−
1 0
2−
3 9.75keV
0 450
2.7 keV
Zwykła przemiana β nie jest teraz możliwa !
2−
1 2−
3
m
e 7676
111 187
76
Os
++
Btot (Os)
m
e 7575
112 187
75
Re
++
2+
5
Btot (Re)
Zabieramy wszystkie elektrony orbitalne.
Przemiana zjonizowanego 187 Re
Energia [keV]
+ 0 112 187
75
Re
2+
5
m
e ++
1 111 187
76
Os
2−
1 0
2−
3 9.75keV
0 450
m
e 7575
112 187
75
Re
++
2+
5
2−
1 2−
3
m
e 7676
111 187
76
Os
++
Btot (Re)
2.7 keV
Zabieramy wszystkie elektrony orbitalne.
Zwykła przemiana β nie jest teraz możliwa !
2−
1 2−
3
m
e 7575
111 187
76
Os
++
BK (Os)
e
−ν
eAle emitowany elek- tron może zatrzymać się na pustym orbitalu atomowym !
63 keV
Przemiana beta do stanu związanego
Laboratorium GSI Darmstadt
SIS FRS ESR
Hala
eksperymentów
Źródło jonów
Jony o energii 3 – 20 MeV/nukleon
(8 – 20 % c) Jony o energii
do 1 GeV/nukleon (≈ 90 % c)
0 50 m
Pierścień kumulacyjny ESR
Zakrzywiające pole magnetyczne Obwód 108 m
Wysoka próżnia (10-9 Pa)
Czas przechowywania jonów do kilku godzin
Fragment pierścienia ESR
R e je s tra c ja c z ą s te k w p ie rś c ie n iu
150m,g 65+
150 65+Dy Tb
143 62+
143m,g 62+
Eu Sm
157 68+
Er
127 55+
Cs
157 68+
Tm
173 75+
166 72+
166 72+
180 78+
Pt
Re
Ta Hf
152 66+
152 66+ Ho Dy
159 69+
159 69+
136 59+
Tm Pr Yb
W
164 71+
171 74
Lu
164 71+Hf
145 63+
122 53+
Gd I
175 76+
161 70+
138 60+
161 70+
168 73+
168 73+
Os
W Ta
Yb Nd
Lu
149 65+
Tb
156 68+
156 68+
Er Tm
154 67+
154 67+
Ho Er
163 71+
147 64+
147 64+
147 64+
Dy Tb Gd
Lu
165 72+
165 72+
172 75+
163 71+
170 74+
Ta Hf Re
W
Hf
100002000030000400005000060000700008000090000100000 876543210 masa znana masa nieznana
Częstość [Hz]
Intensywność
Metoda szumówSchotky’ego 145 63+g
G d
145 63+mG d
∆E = 750(50) keV(1jon)(1 jon) Częstość obiegu:
m q f ∝
Pomiar 187 Re w pierścieniu ESR
3. Jony krążą przez zadany czas ( 0 – 5 h ) i ulegają przemianie : tworzy się 187Os75+.
4. Wstawienie tarczy gazowej (strumień argonu), zdarcie elektronu z 187Os75+ 187Os76+.
5. Rejestracja cząstek w pierścieniu : detekcja jonów 187Os76+ .
1. Wstrzyknięcie wiązki 187Re75+ (108 jonów).
350 MeV/u
2. Chłodzenie elektronami (ok. 30 s).
Wynik eksperymentu
Liczba jonów 187Os76+ w funkcji czasu
Półokres rozpadu obojętnego 187Re : T1/2 = 42.3·109 lat
Wniosek :
Półokres rozpadu całkowicie zjonizowanego 187Re :
T1/2= 32.9 ± 2.0 lat
Jeśli 187Re pozbawimy elektronów, to rozpada się miliard (109) razy szybciej !
Kosmiczny zegar
187Re
187Os
Długożyciowe nuklidy, jak 187Re, pomagają wyznaczyć wiek naszej Galaktyki.
W trakcie swej historii 187Re mógł znajdować się w warunkach b. wysokiej temperatury (wnętrza gwiazd), gdzie był zjonizowany. Zegar oparty na tym nuklidzie przyspiesza wtedy do 109 razy.
Efektywne tempo zaniku 187Re zależy od :
– T1/2 w stanie obojętnym i zjonizowanym (fizyka jądrowa), – chemicznej ewolucji Galaktyki (astrofizyka).
Obecny stan wiedzy :
Teff1/2 (187Re) ≈ 25 Gy wiek Galaktyki : TG > 12 Gy
Podsumowanie
Dzięki nowoczesnym metodom fizyki jądrowej możemy wytwarzać i badać z wielką czułością (pojedyncze atomy !), m.in.:
– nuklidy bardzo dalekie od trwałości,
– wysoko zjonizowane atomy ciężkich pierwiastków.
Jako ilustrację związku fizyki jądrowej z astrofizyką omówiłem : – trudności z opisem procesu r,
– rozpad beta 187Re do stanu związanego.
Przykłady innych osiągnięć :
– identyfikacja > 100 nowych izotopów,
– pomiar mas kilkuset nuklidów dalekich od trwałości,
– odkrycie promieniotwórczości dwuprotonowej.
Badania egzotycznych nuklidów mają świetne perspektywy.
Własności takich egzotycznych nuklidów są potrzebne m.in. do:
– zrozumienia procesów nukleosyntezy,
– „regulacji” kosmicznych zegarów.
