liczba protonów, Z

(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

Ok. 1 cząstka α/sek.

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 Ä szansa na rozpad α = ½

czekamy 1 sek. Ä szansa ≈ 1/100.000.000.000 = 1/10¹¹ szansa trafienia szóstki w TotoLotku ≈ 1/10⁷

na kartce jest ok. 10¹¹ atomów Ra - dla fizyków to dużo,

- ale dla chemików bardzo mało :

1/(3×10¹⁰) g = 1/30.000.000.000 g.

(4)

Nuklidy

Nuklid (elektrycznie obojętny atom) :

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

Ä pierwiastki chemiczne Różne liczby N Ä izotopy

liczba neutronów, N

liczba protonów, Z

1 5 9

1 5

Mapa nuklidów

wodór hel

izotopy węgla:

12C, ¹³C

(5)

liczba protonów, Z

287 nuklidów, w tym

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

?

Nuklidy trwałe

(6)

Nuklidy promieniotwórcze

przemiana α

ołów bizmut tor

przemiana β n p

protaktyn

rad

226Ra

1600 lat

radon polon

238U

4.5 mld lat

uran

140 145

125 130 135

liczba neutronów N

(7)

Zagadki przemiany α (1)

Rozważmy przemianę ²²⁶Ra ´ ²²²Rn + α energia cząstek α, E_α = 5 MeV,

¼ prędkość v = 0.05 c = 15000 km/s !

Skąd bierze się energia cząstki α ?

Masa atomu ²²⁶Ra jest większa niż masa atomu ²²²Rn i cząstki α !

M(²²⁶Ra) – M(²²²Rn) – M(⁴He) = ∆M > 0

E

_α

≈ ∆ M · c

²

(8)

Zagadki przemiany α (2)

226Ra : E_α = 5 MeV, T_1/2 = 1600 lat

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

212Po : 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)

α

E

_α ^E^α

222

Rn

5 MeV

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

(10)

α

E

_α

222

Rn

5 MeV

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.

E_α

α

(11)

α α

E

_α

226

Ra

5 MeV

Model „minigolfowy”

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

Zachodzi kwantowe „przenikanie przez ścianę” !

(12)

E

_α

212

Po

5 MeV

Model „minigolfowy”

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

E

_α

9 MeV

(13)

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

liczba protonów, Z

Nuklidy odkryte do dziś

- 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

(14)

Badania egzotycznych nuklidów (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.

Przykład 2 :

nowy rodzaj promieniotwórczości – emisja dwóch protonów

Przykład 1 :

poszukiwanie nowych pierwiastków

(15)

Schemat współczesnego eksperymentu

tarcza

magnetyczny separator produktów

Produkcja

(reakcja jądrowa)

Selekcja

Obserwacja Akcelerator

pocisków

układ detektorów elektronika pomiarowa

komputery

(16)

Laboratorium GSI w Darmstadt

(17)

Laboratorium GSI w Darmstadt

Jony o energii 3 – 20 MeV/nukleon

(8 – 20 % c)

Jony o energii do 1 GeV/nukleon

(≈ 90 % c)

SHIP

(18)

Reakcja fuzji

pole E

pole B pole E

70Zn ²⁰⁸Pb ²⁷⁷112

n

znane

CN

277112

273110

269Hs

265Sg

261Rf

257No

11.45 MeV 280 µs

11.08 MeV 110 µ s

9.23 MeV 19.7 s

4.60 MeV (escape) 7.4 s

8.52 MeV 4.7 s

253Fm

8.34 MeV 15.0 s

277112

Separator SHIP i synteza pierwiastka 112

Separator SHIP: skrzyżowane pola E i B pozwalają wybrać cząstki o ustalonej prędkości.

(19)

Synteza pierwiastków superciężkich stan obecny

GSI RIKEN

Japonia

Ds 282

FLNR

Rosja

(20)

Laboratorium GSI w Darmstadt

Jony o energii 3 – 20 MeV/nukleon

(8 – 20 % c)

Jony o energii do 1 GeV/nukleon

(≈ 90 % c)

FRS

(21)

FRS : separator fragmentów w GSI

tarcza wiązka jonów

magnes odchylający (dipolowy)

magnes ogniskujący

(kwadrupolowy) detektory

detektory pomiar czasu przelotu (s = 36 m)

9Be

58Ni ⁴⁵Fe

Reakcja fragmentacji

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

β⁺

45Fe

45Mn

44Mn

43Cr

19 20 21 N

26

25

24

23 Z

43V

45Cr β⁺

β⁺ 2p Proces przewidziany teoretycznie

przed 40 laty dla skrajnie neutrono- deficytowych nuklidów.

Główne przeszkody w obserwacji : 1) bardzo trudno wytworzyć te

nuklidy,

2) oba protony muszą „przeniknąć przez ścianę” zanim zajdzie przemiana β (10 ms).

¼ ostry warunek energetyczny : E_2p ≈ 1 MeV

(24)

Badanie rozpadu ⁴⁵ Fe

Pocisk Tarcza Separator Detektor

p

p elektronika komputery

58Ni

v = 0.8 c

= 240000 km/s beryl 72 m krzem

Wyniki :

• kilkanaście atomów ⁴⁵Fe

• wydzielona energia, E = 1.2 MeV

• półokres rozpadu, T_1/2 ≈ 2 ms

¼ zgodne tylko z hipotezą emisji 2p !

(25)

Następny krok

rozkład izotropowy

Zmierzyliśmy jedynie sumaryczną energię i czas rozpadu!

fTeraz trzeba zarejestrować oba protony oddzielnie i

zmierzyć ich indywidualne energie i kąt między kierunkami ich wylotu.

?

silna korelacja

(26)

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

liczba protonów, Z

Eksploracja trwa...

obszar niezbadany

E-mail : 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,

h gdzie są granice tego świata?

h czy istnieją trwałe pierwiastki superciężkie?

h gdzie i jak powstały w Kosmosie znane pierwiastki?

h 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 ¼ http://www.gsi.de

(29)

Zapraszam na Hożą!

http://www.fuw.edu.pl

Ul. Hoża 69, Sala Duża Doświadczalna, 17:30 – 18:30

liczba protonów, Z

O egzotycznych nuklidach i ich promieniotwórczości

Marek Pfützner

Instytut Radowy w Paryżu

Promieniowanie

Nuklidy

?

Nuklidy trwałe

Nuklidy promieniotwórcze

Zagadki przemiany α (1)

E

≈ ∆ M · c

Zagadki przemiany α (2)

α

E

Rn

5 MeV

Model „minigolfowy”

α

α

E

Rn

5 MeV

Model „minigolfowy”

α

α α

E

Ra

5 MeV

Model „minigolfowy”

E

Po

5 MeV

Model „minigolfowy”

α α

E

9 MeV

Nuklidy odkryte do dziś

Badania egzotycznych nuklidów (na skraju mapy)

Schemat współczesnego eksperymentu

Laboratorium GSI w Darmstadt

Laboratorium GSI w Darmstadt

Reakcja fuzji

Separator SHIP i synteza pierwiastka 112

Synteza pierwiastków superciężkich stan obecny

GSI RIKEN

FLNR

Laboratorium GSI w Darmstadt

FRS : separator fragmentów w GSI

Reakcja fragmentacji

Magnesy odchylające i ogniskujące

Promieniotwórczość dwuprotonowa

Badanie rozpadu 45 Fe

Następny krok

?

Eksploracja trwa...

Zakończenie

Planowana rozbudowa GSI

Zapraszam na Hożą!

http://www.fuw.edu.pl

Badanie rozpadu ⁴⁵ Fe