Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Egzotyczne nuklidy a historia kosmosu Ogólnopolskie Seminarium Nauczycieli Fizyki, 16 marca 2005 Marek Pfützner Instytut Fizyki Doświadczalnej UW.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Egzotyczne nuklidy a historia kosmosu Ogólnopolskie Seminarium Nauczycieli Fizyki, 16 marca 2005 Marek Pfützner Instytut Fizyki Doświadczalnej UW."— Zapis prezentacji:

1 Egzotyczne nuklidy a historia kosmosu Ogólnopolskie Seminarium Nauczycieli Fizyki, 16 marca 2005 Marek Pfützner Instytut Fizyki Doświadczalnej UW

2 Instytut Radowy w Paryżu 11 rue Pierre-et-Marie-Curie Ok. 1 cząstka /sek. T 1/2 (Ra) = 1600 lat atomów Ra !

3 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 Mapa nuklidów wodór hel izotopy węgla: 12 C, 13 C

4 Nuklidy trwałe liczba neutronów, N liczba protonów, Z 287 nuklidów, w tym 83 pierwiastki od wodoru (Z=1) do uranu (Z=92) ?

5 przemiana 238 U 4.5 mld lat ołów bizmut uran tor Nuklidy promieniotwórcze liczba neutronów N przemiana n p protaktyn rad 226 Ra 1600 lat radon polon

6 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 rozszczepienie - p Przemiana + p n + e + + e Emisja p Z X Z-1 Y + p Przemiana - n p + e - + e ¯ Emisja Z X N Z-2 Y N-2 + Terra incognita czeka na odkrycie i zbadanie Emisja 2p Z X Z-2 Y + 2p

7 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.

8 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.

9 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.

10 Rozpowszechnienie nuklidów

11 Procesy s i r Około połowa ilości nuklidów cięższych od żelaza powstała w procesie r

12 Procesy nukleosyntezy proces s proces r proces rp fuzja termojądrowa w gwiazdach Liczba neutronów Liczba protonów Proces r zachodzi poza granicą znanych nuklidów !

13 Symulacja procesu r

14 Wkład procesu r Nuklidy wytworzone w procesie r Dwa modele struktury jąder atomowych Obserwacje własności takie jak jąder stabilnych własności zmienione

15 Przewidywania mas nuklidów Masy zmierzone Izotopy cezu Z = 55 Różnice (MeV/c 2 )

16 Pomiary mas w pierścieniu ESR W latach 1997 – 2002 zmierzono ok. 370 mas nuklidów egoztycznych – technika Schottkyego – tryb izochroniczny – masy nieznane, T > 1 s – masy nieznane, T < 1 s

17 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.

18 Zwykła przemiana beta Przemiana - n p + e - + e ¯ Energia nuklidu Wydzielona energia Q jest unoszona przez elektron i antyneutrino, które uciekają z nuklidu końcowego. Przemiana może zachodzić do różnych stanów jądra końcowego.

19 Przypadek 187 Re Energia nuklidu Półokres rozpadu obojętnego 187 Re : T 1/2 = 42.3·10 9 lat Możliwa przemiana tylko do stanu pod- stawowego 187 Os

20 Przemiana zjonizowanego 187 Re Energia [keV] keV

21 Przemiana zjonizowanego 187 Re Energia [keV] keV Zwykła przemiana nie jest teraz możliwa ! B tot (Os) B tot (Re) Zabieramy wszystkie elektrony orbitalne.

22 Przemiana zjonizowanego 187 Re Energia [keV] B tot (Re) 2.7 keV Zabieramy wszystkie elektrony orbitalne. Zwykła przemiana nie jest teraz możliwa ! B K (Os) Ale emitowany elek- tron może zatrzymać się na pustym orbitalu atomowym ! 63 keV Przemiana beta do stanu związanego

23 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

24 Pierścień kumulacyjny ESR Zakrzywiające pole magnetyczne Obwód 108 m Wysoka próżnia (10 -9 Pa) Czas przechowywania jonów do kilku godzin

25 Fragment pierścienia ESR

26 Rejestracja cząstek w pierścieniu Częstość [Hz] Intensywność Metoda szumów Schotkyego E = 750(50) keV (1 jon) Częstość obiegu:

27 Pomiar 187 Re w pierścieniu ESR 3. Jony krążą przez zadany czas ( 0 – 5 h ) i ulegają przemianie : tworzy się 187 Os Wstawienie tarczy gazowej (strumień argonu), zdarcie elektronu z 187 Os Os Rejestracja cząstek w pierścieniu : detekcja jonów 187 Os Wstrzyknięcie wiązki 187 Re 75+ (10 8 jonów). 350 MeV/u 2. Chłodzenie elektronami (ok. 30 s).

28 Wynik eksperymentu Liczba jonów 187 Os 76+ w funkcji czasu Półokres rozpadu obojętnego 187 Re : T 1/2 = 42.3·10 9 lat Wniosek : Półokres rozpadu całkowicie zjonizowanego 187 Re : T 1/2 = 32.9 ± 2.0 lat Jeśli 187 Re pozbawimy elektronów, to rozpada się miliard (10 9 ) razy szybciej !

29 Kosmiczny zegar 187 Re 187 Os Długożyciowe nuklidy, jak 187 Re, pomagają wyznaczyć wiek naszej Galaktyki. W trakcie swej historii 187 Re mógł znajdować się w warunkach b. wysokiej temperatury (wnętrza gwiazd), gdzie był zjonizowany. Zegar oparty na tym nuklidzie przyspiesza wtedy do 10 9 razy. Efektywne tempo zaniku 187 Re zależy od : – T 1/2 w stanie obojętnym i zjonizowanym (fizyka jądrowa), – chemicznej ewolucji Galaktyki (astrofizyka). Obecny stan wiedzy : T eff 1/2 ( 187 Re) 25 Gy wiek Galaktyki : T G > 12 Gy

30 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 187 Re 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.

31 Planowana rozbudowa GSI Projekt zatwierdzony do realizacji

32 Planowane intensywności wiązek radioaktywnych


Pobierz ppt "Egzotyczne nuklidy a historia kosmosu Ogólnopolskie Seminarium Nauczycieli Fizyki, 16 marca 2005 Marek Pfützner Instytut Fizyki Doświadczalnej UW."

Podobne prezentacje


Reklamy Google