Podzielić niepodzielny (fizyka jądrowa)

Podzielić niepodzielny

Grzegorz Karwasz

Wykład 6

Toruń, 05.04.2018

Promienie Röntgena (XII 1895)

„Przenikliwe, bez ładunku, nie ulegają dyfrakcji”

Röntgenaufnahme: Albert von Koellikers Hand, aufgenommen von Conrad Röntgen am 23.

Januar 1896 [wiki.de]

„Odkrycie” elektronu (1897)

J. J. Thompson 1897 (a w zasadzie pomiar stosunku ładunku do masy e/m)

http://dydaktyka.fizyka.umk.pl/Physics_is_fun/html/cathode.html

Zdefektowana klisza (1896)

Henri Becquerel 27-28.02.1896

(pochmurne dni w Paryżu)

http://www.chemteam.info/Radioactivity/Disc-of-Radioactivity.html Sole uranu

Pilna uczennica

w wieku 10 lat traci mamę

w wieku 15 lat kończy szkołę średnią, uzyskując złoty medal

do 24 roku życia pracuje jako prywatna

nauczycielka

1871

mając 26 lat uzyskuje tytuł Licencjata z Fizyki

mając 27 lat uzyskuje tytuł Licencjata z

Matematyki

w wieku 28 lat

wychodzi za mąż i wraz z mężem

wyrusza

w podróż poślubną na rowerach

kupionych za pieniądze

otrzymane od

kuzyna

pomiędzy 28 a 30 rokiem życia pracuje naukowo

w oparciu o fundusze ze stypendium

badawczego

w wieku 30 lat rodzi córkę i rozpoczyna studia

doktoranckie, w czasie których buduje układ do pomiaru słabych prądów, w tym czasie jej córką opiekuje się teść

Rysunek ten, dobrze znany z każdego podręcznika fizyki, pochodzi z jej rozprawy doktorskiej

W 1903 roku wraz z mężem otrzymuje nagrodę Nobla

w dziedzinie fizyki za:

„ogromny wkład pracy w zrozumienie zjawiska odkrytego przez Henry Becquerela"

(czyli „odkrycie zjawiska naturalnej

promieniotwórczości").

W 1911 roku otrzymuje nagrodę Nobla w

dziedzinie chemii za:

„ogromny wkład w

rozwój chemii poprzez odkrycie

pierwiastków

chemicznych - polonu i radu,

ich wyodrębnienie i badania związków chemicznych

tych niezwykłych pierwiastków”

Nagrodę odbiera z córką

Irene

Odkrycie polonu

Maria Curie, spośród

wszystkich możnych tego świata jest jedyną, której nie zepsuła sława.

Albert Einstein

Ta cała historia zaczyna się od...

• Doktorantki, która w drewnianej, nieogrzewanej szopie na dziedzińcu technikum elektrycznego

• kropla po kropli przerobiła pół tony radioaktywnych śmieci (tzw. rudy)

• aby w chemiczny sposób oddzielić to, co

przypominało magnez od tego co przypomina siarkę (rad od polonu)

• Za to dostała nagrodę Nobla z chemii

(i jako jedyna kobieta – również z fizyki)

„Rozpady” alfa, beta, gamma

http://www.chemteam.info/Radioactivity/Disc-of-Radioactivity.html

Ścieżki na bezdrożu – czyli o naturze odkrycia naukowego

Zazwyczaj, po odkryciu naukowym, okazuje się, że

niezliczone rzesze i innych uczonych, miało ten sam, słuszny! pomysł, ale:

1) nie mieli pieniędzy na jego realizację, 2) nie mieli warunków,

3) przeszkadzano im,

4) 4) a czasem to nawet sam noblista im to podkradł.

Dziwnie się składa, że najwięcej pomysłów, największych naukowców, które mają, jest zazwyczaj błędnych. Tak było z Roentgenem, tak było z państwem Curie.

(C) GK 2004

Ścieżki na bezdrożu – czyli o naturze odkrycia naukowego

(C) GK 2004

• Henri Becquerel odkrywa 1896 roku, że sole uranu emitują

niewidzialne i przenikliwe promienie, które mają m.in. właściwość rozładowywania ciał naelektryzowanych. Zajmuje się nowym

zjawiskiem przez rok, po czym nie będąc w stanie uzyskać nowych rezultatów porzuca to zagadnienie.

• Maria Curie, w ramach pracy doktorskiej buduje aparaturę do precyzyjnych pomiarów słabych prądów elektrycznych, co umożliwi pomiary ilościowe, a nie tylko jakościowe

promieniotwórczości.

• Badając różnego rodzaju minerały z paryskiego muzeum historii naturalnej odkrywa, że niektóre z minerałów uranu wykazują

wyższą aktywność niż sam uran. W konsekwencji Maria i Pierre

Curie odkrywają (jako efekt uboczny) polon i rad .

Ścieżki na bezdrożu – czyli o naturze odkrycia naukowego

(C) GK 2004

Poszukują oni jednocześnie wyjaśnienia natury nowego zjawiska. Maria Curie wymienia możliwe hipotezy w swoim artykule w 1899 roku:

1) promieniowanie jest fosforescencją o długim czasie zaniku, wywoływaną przez światło, choć jest to hipoteza mało

prawdopodobna,

2) promieniowanie jest emisją materii z substancji radioaktywnych, w wyniku czego zmniejsza się ich masa,

3) promieniowanie jest emisją wtórną, tak jak ma to miejsce w przypadku promieni Röntgena; promieniowanie pierwotne wywołujące promieniotwórczość przenika całą materię, a jest absorbowane tylko przez atomy ciężkie, jak uran i tor,

4) promieniowanie powstaje z absorpcji ciepła z otoczenia, na przekór zasadzie Carnota

Dziś wiemy, że tylko wniosek 2 jest słuszny, i trochę 1.

Ernest Rutherford: zakres promieniowania?

• alfa: kilka centrymetrów w powietrzu, kartka papieru

• beta: aluminiowa blacha # 1mm, ale nie wszystkie

• gamma: przenikliwe – ołowiowy blok

• Z różnych rozpadów różne zakresy

Nowe odkrycie = nowe narzędzia

• Polon – stabilne i efektywne źródło promieniowania alfa (używany nawet do zasilania baterii w lotach kosmicznych)

• Rad – bogactwo przemian

promieniotwórczych (i znaczna aktywność)

• Rutherford: cząstki alfa to jądra helu

Deutsches Museum 2007, foto GK

E. Rutherford: cząstki alfa to jądra helu

Łut szczęścia (Ernest Rutherford)

Kiedy J.J. Thompson 1894 został kierownikiem laboratorium Cavendisha przybyło do Anglli dwóch zdolnych studentów: J.S.

Townsend, specjalista od wyładowań elektrycznych i E. Rutherford z Nowej Zelandii. W 1897 roku J.J. zestawia wyniki pomiarów nad

promieniami katodowymi i tworzy "swój" model atomu: ciasta z rodzynkami.

Student Rutherford nie był do końca przekonany, ale nie dyskutował z profesorem. Doświadczenie wykonał daleko, w Montrealu, dopiero w 1911 roku.

E. Rutherford badał rozkłady kątowe cząstek alfa przechodzących przez folię ze złota (złoto daje się kuć w bardzo cienkie blaszki) - zmierzony rozkład kątowy odpowiadał rozpraszaniu na ładunku punktowym.

Miał sporo szczęścia: potencjał Coulomba to jedyny, który w modelu

klasycznym i kwantowym daje taki sam rozkład kątowy!

Zbieg okoliczności (Ernest Rutherford):

odkrycie jądra atomowego (1911)

Z opracowań internetowych: M. Juszczyńska, T. Wróblewski (ZF UMK)

Aston (1919) Spektrometria masowa

• Neon ma izotopy o masach 20 (90,5%), 21 (0,3%), 22 (9.2%)

• Ale to wiedziano już od dawna, że masa jednego mola helu

wynosi 4 g a nie 2g

• → w jądrze musi być jeszcze inna cząstka, o masie

podobnej do protonu, ale ładunku zerowym

Spektrometr masowy Astona z 1930 r.

z odchylaniem magnetycznym

Science Museum, London, foto GK

Neutron = neutralny proton

• Układ Mendelejewa: masa helu (Z=2) wynosi 4 masy wodoru (Z=1), itd.

• Spektrometria masowa (Aston, 1919):

izo-topy, np. neon A= 20, 21, 22

• Bothe, Becker (1930) Po → α

α + Be → ?? (przenikliwe promienie)

• Irene & Frederic Joliot-Curie (1931) α + parafina → ??

• Enrico Majorana: „odkryli neutralne protony, ale się nie zorientowali”

• Enrico Fermi (1934): „Fermi i złote rybki” GK ,

http://dydaktyka.fizyka.umk.pl/Wystawy_archiwum/z_omegi/FERMi.html

• 1935 – nagroda Nobla dla Jamesa Chadwicka

Systematyzacja: rozpady alfa i beta

•

U →

Th +

He (τ

=4,56 mld lat)

•

K →

Ca +

e (τ

=1,2 mld lat);

11 tys. rozpadów/ sek. u osoby 80 kg

• „rozpady” gamma to emisja (w formie fali

elektromagnetycznej nadmiaru energii po przejściu jądrowym:

• energia kwantów gamma zależy od rodzaju przejścia, np.

1,2 MeV dla rozpadów beta-plus w

Na; 43 keV dla

rozpadów alfa w plutonie

Szeregi promioniotwórcze (rozpadów alfa): uranowy

Rys. mgr K. Służewski

Szeregi promioniotwórcze (rozpadów alfa): torowy

Rys. mgr K. Służewski

Szeregi promioniotwórcze

(rozpadów alfa): uranowy

Szeregi promioniotwórcze

(rozpadów alfa): uranowy

Obserwacja rozpadów „on-line”

Komora Wilsona (1920)

Zderzenia i reakcje

G. Karwasz, M. Więcek, Fizyka współczesna, ZDF UMK

Promieniotwórczość sztuczna (Rutherford)

http://chemwiki.ucdavis.edu/Core/Physical_Chemistry/Nuclear_Chemistry /Radioactivity/Artificially_Induced_Radioactivity

Promieniotwórczość sztuczna (Joliot-Curie

Przyrządy Joliot-Curie i Chadwicka (Science Museum Londyn

& Deutsches Museum Monachium, foto GK)

2713Al + ⁴₂He → ³⁰₁₅P + ¹₀n

3015P → ³⁰₁₄Si + ⁰₁e⁺ (positive electrons, τ=2,5 min) )

Doświadczenie Chadwicka (1932)

http://dev.physicslab.org/Document.aspx?doctype=3&filename=AtomicNuclear_ChadwickNeutron.xml

94Be + ⁴₂He → ¹²₆C + ¹₀n

„Fermi i złote rybki”

• Profesor Fano, uczeń Fermiego, mówiał o nim tak: "Był nie tylko

genialnym teoretykiem*, niezwykle zdolnym eksperymentatorem, ale też znakomitym organizatorem". Bez Fermiego program

„Manhattan”, który kosztował 2 miliony dolarów (ówczesnych) nie zakończyłby się sukcesem.

• Latem 1934 roku uczniowie Fermiego prowadzili badania sztucznej promieniotwórczości, alfabetycznie Al, Ag, wywołanej pochłanianiem neutronów. Jednakże, po powiadomieniu Fermiego, nie potrafili tych wyników powtórzyć - wydawało się, że promieniotwórczość

(sztuczna) srebra nie pojawia się, gdy doświadczenie przeniesiono z prowizorycznego drewnianego stołu na stół marmurowy.

• Enrico Fermi, rzuciwszy okiem na doświadczenie, do spowalniania neutronów użył nie ołowiu, ale parafiny. Po południu tego samego dnia (22.10.1934) na drodze neutronów ustawiono akwarium ze złotymi rybkami [1]. Droga do reaktora jądrowego była otwarta.

• Stos Fermiego ruszył 2.12.1942 w laboratorium pod stadionem uniwersyteckim w Chicago

(C) GK, Trento, 2003

Coraz szybciej: akceleratory protonów, itd.

Pierwszy cyklotron w Cambridge (1937), Science Museum Londyn, foto GK

Rozszczepienie uranu, synteza helu

Rozszczepienie uranu, synteza helu

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Table_isotopes_en.svg

Półwysep stabilności

Rozpad beta-plus, np.

2211

Na→

Ne +

e

„Oby na wyspę”

• Dlaczego niektóre jądra są stabilne, inne - nie, to tak do końca nie wiadomo.

Wiadomo, że izotopy mające parzystą liczbę protonów i neutronów są

stabilniejsze, a najbardziej niestabilne nieparzysto-nieparzyste. Tak więc � największą energię wiązania ma małe jądro 2+2 (₄₂He), a także "średnie"

jądra, jak żelazo (₆₂₆Fe). Wiadomo, że jądra przypominają krople, ale nie tak to zupełnie dowolnych kształtów; nie są też układem orbit, jak atomy.

• Tlen (Z=8), wapń (Z=20), nikiel (Z=28), cyna (Z=50) i ołów (Z=82) mają

"magiczne" liczby protonów i dzięki temu posiadają stosunkowo największą liczbę izotopów stabilnych*). Także Z=114 powinno być liczbą magiczną.

Trwa więc wyścig, kto pierwszy na "wyspę stabilności".

•

• Na wyspę niestety, od znanego lądu (Z=94), daleko. W Darmstadt (RFN) przyjęto strategię "nitowania" dwóch podobnych jąder; tak uzyskano bohr (Z=107), hass (108), meitner (109) i nienazwane pierwiastki o Z=110 ***), 111 i 112. Niestety Z=112 żyje tylko 280 mikrosekund.

• W Dubnej (Rosja) strzelają wapniem (⁴²Ca) w pluton ²⁴⁴Pu. Wydaje się, że Z=114 żyje aż 30 sekund!

(C) G. Karwasz, Trydent, 2003

„Magiczne” jądra

He, O, Ca, Ni, Sn, Pb

Nowsze akceleratory

Czyżby już wyspa?

• Wydaje się, że najnowszy nazwany pierwiastek Copernicium jest pierwszym z serii superciężkich izotopów, które mogą być stabilne.

• Flaga z Cn stoi na przełęczy - dalej do przodu głębokie jezioro stabilności pierwiastka

Cn z większą niż odkryty (165) liczbą neutronów.

(C) G. Karwasz, Toruń, 2009, http://dydaktyka.fizyka.umk.pl/nowa_strona/?q=node/203

Czyżby już wyspa?

It is predicted that the heavy isotopes copernicium-291 and copernicium-293 may have half-lives of around 1200 years,

20882Pb + ⁷⁰₃₀Zn → ²⁷⁸₁₁₂Cn*

→ ²⁷⁷₁₁₂Cn + ¹₀n

Metal podobny do Zn i Hg (temp. wrzenia 84ºC)

Zapełniająca się tablica Mendelejewa

https://www.superheavies.de/english/research_program/highlights_element_117.htm#PTE 114 Flerovium

Zastosowania medyczne

• Protonoterapia nowotworów

• Terapia gamma

• Scyntygrafia

Zastosowania geofizyczne

• Wiek skał

• Wiek Ziemi i Układu Słonecznego

• Wiek wykopalisk z substancji

organicznych (drzewo, tkaniny)

C

• Klimatologia (temperatura wód

O);

aktywność słoneczna

N

Z=117:

8 rozpadów alfa i nowy izotop

rozszczepialny

266 Lr

journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.112.172501

48Ca+ ²⁴⁹Bk

Fusion Reaction Leading to Element Z=117

: Long-Lived α -Decaying ²⁷⁰Db

and Discovery of ²⁶⁶Lr

Kształty jądra, rozszczepienie plutonu

A. Bulgac/University of Washington, Seattle, April 2016

http://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.116.122504 http://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.116.112503

Przygoda badawcza z alchemią jądrową trwa:

Może ktoś zamieni kamień filozoficzny

w złoto?