Fizyka we współczesnym świecie

Fizyka we współczesnym świecie

Nuklidy egzotyczne

Marek Pfützner

Zakład Spektroskopii Jądrowej Instytut Fizyki Doświadczalnej UW

e-mail: pfutzner@mimuw.edu.pl

„Poziomy” materii

Atom 10^-10 m = 1 Å Kryształ

10^-9 m = 1 nm

Jądro

10^-14 m = 10 fm

Nukleon (proton, neutron)

10^-15 m = 1 fm

Kwarki, elektrony elementarne ? punktowe ?

Nuklidy

Nuklid (elektrycznie obojętny atom) :

Z protonów + N neutronów + Z elektronów Liczba Z decyduje o własnościach chemicznych

¼ pierwiastki chemiczne Różne liczby N ¼ izotopy

liczba neutronów, N

liczba protonów, Z

1 5 9

1 5

Mapa nuklidów

wodór hel

izotopy węgla:

12C, ¹³C m_p = 1.672 × 10^-27 kg

= 938.3 MeV/c²

m_n = 1.674 × 10^-27 kg

= 939.6 MeV/c²

Nuklidy trwałe

liczba neutronów, N

liczba protonów, Z

287 nuklidów, w tym

83 pierwiastki od wodoru (Z=1) do uranu (Z=92)

?

Nuklidy promieniotwórcze

ołów bizmut

uran

tor

liczba neutronów N

125 130 135 140 145

Naturalny szereg uranowo-radowy

przemiana α przemiana β

n € p

protaktyn

238U

4.5 mld lat

radon

polon rad

226Ra

1600 lat 222Rn

3.8 dni

218Po

3 min.

214Po

160 µs

Przemiana β – oddziaływania słabe

u d d

u d u

ν

W^-

neutron proton

u d d

u d u

ν

e^- W⁺

neutron

proton

Wychwyt elektronu u d d

u d u

ν

W⁺

neutron

proton

Rozpad β⁺ protonu Jak to możliwe ???

później

wcześniej

Rozpad β⁻ neutronu M(n) > M(p)

Przemiany β jąder

Zbiór nuklidów o tej samej liczbie nukleonów (izobary)

masa

A = 45

M(⁴⁵V) > M(⁴⁵Ti)

Teoria względności w działaniu!

β⁺, WE E ≈ 7 MeV

może wydzielić się energia: E = ∆M × c²

¼ W przemianie ⁴⁵V J ⁴⁵Ti

trzeci wymiar mapy nuklidów

Promieniowanie γ – oddziaływanie elektromagnetyczne

A = 45

Jądro jest układem wielu cząstek, które poruszają się względem siebie,

a zatem może mieć stany wzbudzone o dyskretnych energiach (tak jak atom).

Przejściom między tymi stanami towarzyszy emisja promieniowania e-m (γ)

Przemiana α – oddziaływanie silne

Cząstka α to jądro helu:

α =

He

M_α = 3728.4 MeV/c² ¼ 2×m_n + 2×m_p − M_α = 27.4 MeV/c² (energia wiązania!)

E_α = 5 MeV ¼ prędkość v = 0.05 c = 15000 km/s ! E_α ≈ ∆M × c²

222

Rn

86

α +

218

Po

84

α 2

214

Pb

82

+

masa ×c2 α

α

E_α = 5.5 MeV E_α = 6.0 MeV

T_1/2 = 3.8 d T_1/2 = 3 min

Zagadka okresów półrozpadu α

238U : E_α = 4.2 MeV, T_1/2 = 4.5 mld lat

222Rn : E_α = 5.5 MeV, T_1/2 = 3.8 dni

214Po : E_α = 7.7 MeV, T_1/2 = 164 µs

Dlaczego okresy półrozpadu tak bardzo się różnią ?

Zrozumienie zależności półokresu rozpadu od energii wymaga zastosowania innego wielkiego odkrycia

fizyki XX w. : mechaniki kwantowej.

Jądro atomu to obiekt kwantowy

V( r )

-V

r

Potencjał sił jądrowych (silnych) i kulombowskich (dla protonów)

h Nukleony (protony i neutrony) mogą zajmować stany w studni potencjału, które można wyznaczyć przy pomocy równania Schrödingera.

h Nukleony są fermionami, więc obowiązuje je zakaz Pauliego (w jednym stanie tylko jedna cząstka)!

R

Jak zachodzi emisja α?

Acrobat Document

h W jądrze nietrwałym ze względu na przemianę α nukleony tworzą cząstkę α o dodatniej energii,

która jednak nie może wydostać się z jamy potencjału!

V( r )

-V

r

h Konieczny jest jakiś proces przejścia przez barierę ¼ tunelowanie kwantowe

E_α

α

E

218

Po

5.5 MeV

Ruch ładunku w polu elektrycznym można zobrazować toczeniem się kulki po nierównej powierzchni.

Kulka wtacza się na wysokość odpowiadającą początkowej energii kinetycznej

Model „minigolfowy”

α

α 5.5 MeV

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.

Model „minigolfowy”

218

Po E

^α

α α

222

Ra

5.5 MeV

Jak cząstka α z wnętrza ²²⁶Ra może znaleźć się na zewnątrz ?

Zachodzi kwantowe „przenikanie przez ścianę” !

E

Model „minigolfowy”

214

Po

5.5 MeV 3.8 dni

Jak cząstka α z wnętrza ²²⁶Ra może znaleźć się na zewnątrz ?

Zachodzi kwantowe „przenikanie przez ścianę” !

Przy wyższej energii ściana jest cieńsza i prawdo- podobieństwo przenikania gwałtownie rośnie.

α α 7.7 MeV 164 µs

Model „minigolfowy”

E

E

Prawo Geigera-Nutalla

Wyjaśnienie kwantowe G. Gamov, 1928 Eα

a b T = + log

Prawo Geigera-Nutalla (1912)

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⁺ + ν_e Emisja p

ZX → _Z-1Y + p Przemiana β^-

n → p + e^- + ν¯_e

Emisja α

ZX_N → _Z-2Y_N-2 + α

„Terra incognita”

czeka na odkrycie i zbadanie

Emisja 2p

ZX → _Z-2Y + 2p

Spektroskopia jądrowa

Z, N

Z-1, N+1

Z+1, N-1

β⁺/WE

β^-

Energia [MeV]

Zadanie spektroskopii : poznać strukturę jąder badając przemiany zachodzące między ich stanami

Znaczenie fizyki jądrowej

h W przemianach jądrowych odgrywają rolę oddziaływania słabe, elektromagnetyczne i silne.

h Do opisu procesów jądrowych konieczna jest mechanika kwantowa.

Potrzebna bywa też szczególna teoria względności.

Istotne są prawa dotyczące układów wielu ciał.

h Dzięki wielkiemu bogactwu zjawisk, w jakich jądra atomowe biorą udział, są one ważnym obiektem badań podstawowych.

Pełnią też istotną rolę w innych dziedzinach nauki i w zastosowaniach (fizyka materii skondensowanej, biologia, medycyna, technika...)

...i warto znać angielski ☺

Q: What did the Nuclear Physicist have for lunch?

A: Fission Chips.

Egzotyczne nuklidy (na skraju mapy)

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

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.

nowy rodzaj promieniotwórczości – emisja dwóch protonów

zrozumienie procesów nukleosyntezy

Poszukiwanie nowych pierwiastków

Promieniotwórczość dwuprotonowa

W 1960 r. przewidziano możliwość przemiany, w której z jądra wyrzucane są jednocześnie dwa protony ¼ szukać w bardzo neutrono-deficytowych nuklidach o parzystej liczbie Z, w których emisja jednego protonu jest

energetycznie niemożliwa.

2p

N A ZX

p N A

Z₋⁻₁¹X +m

p N

A

Z₋⁻₂²X +2m

f Przy pomocy obliczeń teoretycznych wytypowano najlepszych kandydatów : ⁴⁵Fe, ⁴⁸Ni, ⁵⁴Zn .

Promieniotwórczość dwuprotonowa

Acrobat Document

V( r )

-V

r

Oba protony uwięzione w jamie potencjału, podobnie jak cząstka

α

Jądro ma wielki niedobór neutronów

¼ korzystne warunki dla przemiany β⁺ ! Powstaje konkurencja: co zajdzie szybciej, przemiana β, czy tunelowanie pary protonów?

Emisja 2p

ZX → _Z-2Y + 2p

?

Mapa w okolicy ⁴⁵ Fe

28 20

28

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni

20

Z-N=7

48

45

β⁺, WE E ≈ 19 MeV

tarcza

Produkcja

(reakcja jądrowa)

Akcelerator

pocisków Obserwacja

układ detektorów elektronika pomiarowa

komputery magnetyczny

separator produktów

Selekcja

Schemat współczesnego

eksperymentu

Laboratorium GSI w Darmstadt

Laboratorium GSI Darmstadt

UNILAC

SIS FRS ESR

Hala

eksperymentów Źródło jonów

Jony o energii 3 – 20 MeV/nukleon

(8 – 20 % c) ^N

Jony o energii do 1 GeV/nukleon

(≈ 90 % c)

0 50 m

SHIP

Pierwsze badania ⁴⁵ Fe

Pocisk Tarcza Separator Detektor

p

p elektronika komputery

58Ni

czas lotu < 1 ms beryl

krzem

Energia wydzielona w detektorze po implantacji jonu ⁴⁵Fe

Wyniki :

• wydzielona energia, E = 1.1 MeV

• półokres rozpadu, T_1/2 ≈ 3 ms

¼ zgodne tylko z hipotezą emisji 2p !

Prawdziwe wyzwanie

Symulacja 200 zdarzeń

Przewidywany kąt między pędami obydwu protonów z ⁴⁵Fe

Udowodnić, że wylatują dwa protony!

Zarejestrować je oddzielnie, najlepiej ich tory

Zmierzyć ich energie oraz kąt między kierunkami ich emisji

Rozwiązanie: czarna skrzynka

Komora dryfowa z odczytem optycznym (OTPC – optical time projection chamber)

Zasada działania OTPC

UV VIS

Obszar aktywny

Wzmocnienie Dryf Wzmocnienie

WLS

HI 150 V/cm

500 V/cm 9000 V/cm

14000 V/cm

Mieszanka gazowa: 66% He + 32% Ar + 1% N₂ + 1% CH₄

Pełny układ

h Kamera CCD 2/3’’

• 1000 × 1000 pix

• 12-bitów

• wzmacniacz obrazu (x2000)

¼ Obraz rzutu na płaszczyznę

h Fotopowielacz 5’’

¼ Zapis intensywności światła w funkcji czasu (informacja o położeniu w kierunku prostopadłym do obrazu)

Pierwsze zdjęcia

Promieniotwórczość naturalna z seregu uranowo-radowego!

T= 3 min

α ²¹⁸Po

T= 0 min

α ²²²Rn

tory wychodzą z tego samego miejsca,

ich długość zgadza się z energiami cząstek α ²²²Rn and ²¹⁸Po

Rekonstrukcja toru cząstki

θ = π/2

Fotopowielacz

Z t

φ

X

Y

XY

Kamera

Rekonstrukcja toru cząstki

t

Fotopowielacz

θ = 0

Z

Y

X

XY

Kamera

Rekonstrukcja toru cząstki

θ

φ

Z

X

Y

t

Fotopowielacz

L_PM = v_d t

Cząstka α została wyrzucona pod pewnym kątem do osi z

1 µs ⇒ 1 cm

XY

Kamera

L_o

Jony z cyklotronu warszawskiego

Jony ¹²C zatrzymują się w detektorze OTPC.

Ekran komputera filmowany był zwykłym aparatem cyfrowym.

Test w Dubnej

p

13O

13O

T_1/2 = 8 ms

12C+ p

13N

p 1.44 MeV

3.53 MeV

0 MeV

1.94 MeV

13O ^p

5.8 ms

Przemiana β ¹³O czasem

prowadzi do stanu wzbudzonego, z którego emitowany jest proton.

Rozpad 3α wzbudzonego ¹² C

12N

T_1/2 = 11 ms

12C

3α

α+α+α 7.285 MeV

7.65 MeV 10.3 MeV 12.7 MeV

3α

Przemiana β ¹²N prowadzi do stanów wzbudzonych ¹²C, które rozpadają się na 3 cząstki α!

12N

Eksperyment w NSCL/MSU

S1 vault

Reakcja: ⁵⁸Ni at 161 MeV/u + ^natNi ´ ⁴⁵Fe

Identyfikacja jonów w locie przez pomiar ∆E + TOF

Ready to go!

February 2007

Elektronika pomiarowa

Rozpad 2p ⁴⁵ Fe

45Fe

CCD ⁴⁵Fe ^PMT

2p

rozpad 0.53 ms after implantation

PMT zoom

Galeria przypadków 2p

Czasem zachodzi przemiana β ⁺

β3p

Przemiana β^{+ 45}Fe prowadzi do stanów wzbudzonych ⁴⁵Mn, z których wyrzucane są protony o dużej energii, najczęściej jeden, czasem dwa, a nawet trzy!

Schemat rozpadu ⁴⁵ Fe

Fe

44Mn+p ⁴⁵

2 . 0 6 .

2 2

/

1 = ±

T ^ms

Okres półrozpadu ⁴⁵Fe

45Mn

βp β2p β3p

β4p

43V+2p ⁴²Ti+3p

41Sc+4p

β⁺

-22 -20 -18 -16 -14 -12

43 2p

Cr+2p

Energy

βp

70%

β2p

41Sc+2p 0

-2 β⁺

-4 30%

-6

[MeV] -10

-8

43V

42Ti+p

44Cr+p

Rekonstrukcja przestrzenna

PMT

50_463

0.534 0.536 0.538

0 2 4 6

Time after implantation [ms]

Light intensity [a.u.]

-1 0

1

-1 0

1

-1 0

1

∆φ ϑ

ϑ₁ = (104 ± 2)°, ϑ₁ = (70 ± 3)°

∆φ = (142 ± 3)º ¼ θ_pp = (143 ± 5)º

Kąt między torami protonów

0 30 60 90 120 150 180

0 4 8 12

Events

θ_pp [deg]

Odpowiedź

0 30 60 90 120 150 180

0 4 8

12 ^{10% p}

2

24% p² 43% p²

różna budowa jądra ⁴⁵Fe

Pytanie

Następne kroki

D

h Wiadomo, że ⁵⁴Zn ulega przemianie 2p.

h ⁴⁸Ni jest o to bardzo podejrzany.

¼ Chcemy zbadać te przypadki, a także szukać przemiany 2p wśród jąder cięższych.

Nowa metoda obserwacji i rejestracji rozpadów jądrowych otworzyła nowe pole do badań. Będziemy je eksplorować. Niespodzianki są możliwe ☺

Ekscytująca perspektywa

Projekt rozbudowy GSI ¼ http://www.gsi.de

Zapraszamy do współpracy!

Q: What happens when electrons lose their energy?

A: They get Bohr'ed.

e-mail: pfutzner@mimuw.edu.pl