Egzotyczne kształty jąder atomowych Adam Maj IFJ PAN Kraków Egzotyczne kształty jąder atomowych Wykład popularno-naukowy Dzień Otwarty IFJ PAN 1 października 2004 Adam.Maj@ifj.edu.pl http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo/

Jedną z konsekwencji tych oddziaływań jest kształt jądra „Fizyka jądrowa zajmuje się badaniem pewnej określonej postaci materii, a mianowicie materii jądrowej, której podstawowymi elementami są nukleony, a struktura związanych układów tych nukleonów, czyli struktura jąder atomowych, określona jest przez specyficzne oddziaływania jądrowe i oddziaływania elektromagnetyczne.” A. Strzałkowski, „Wstęp do fizyki jądra atomowego”, PWN 1978, str. 9 Jedną z konsekwencji tych oddziaływań jest kształt jądra „(…) nie wszystkie jądra są sferyczne, lecz przeważają raczej jądra wykazujące odstępstwa od kształtu sferycznego. (…) wystarczy w przeważającej liczbie przypadków przyjąć kształt osiowo symetryczny, a zatem kształt elipsoidy obrotowej. Większość jąder ma (…) kształt cygara a nie dysku. Odstępstwa od symetrii sferycznej są niewielkie (…) a:b=1.17.” A. Strzałkowski, „Wstęp do fizyki jądra atomowego”, PWN 1978, str. 293 Czy są jednak jądra posiadające znaczne odstępstwa od symetrii sferycznej – jądra o egzotycznych kształtach? http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo

Plan referatu Uwagi wstępne Kształty jąder w stanie podstawowym Wzbudzanie jąder i metody badania własności stanów wzbudzonych Ewolucja kształtów szybko obracających się „zimnych” jąder … oraz „rozgrzanych” Gigantyczny rezonans dipolowy jako sonda kształtów Inne przewidywane egzotyczne kształty Podsumowanie Co dalej? http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo

Uwagi wstępne Jądro atomowe, centralna część atomu o rozmiarach rzędu 10-14 ÷ 10-15 m, zbudowana z Z protonów i N neutronów (tj. z A nukleonów). Wszystkie układy fizyczne jakie znamy, jeśli mają wymiary <d> ≤ 10-10 m, są kwantowe. Oznacza to, że energie takich układów (więc i jądra) są skwantowane – dyskretne zamiast ciągłych. Panuje w tych układach zasada nieoznaczoności Heisenberga: Δp·Δx > const (h) Jeśli „zmierzymy” prędkość nukleonów w jądrze, ich pozycja będzie nieznana: nieostry brzeg jądra. Główna przyczyna, dla której zajmujemy się fizyką jądrową, to chęć poznania struktury jąder atomowych, procesów wewnątrz jądrowych i, przede wszystkim, sił występujących pomiędzy nukleonami. Jak wiemy, główne oddziaływania międzynukleonowe to oddziaływanie silne i elektromagnetyczne. Jedną z konsekwencji tych oddziaływań są kształty jąder atomowych. http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo

Rotacje, oscylacja, wzbudzenia wielocząstkowe,… Teoretyczne modele jądrowe (czyli uproszczone struktury teoretyczne) pomagają nam badać pewne określone własności takich małych układów jak jądro atomowe Model kropli cieczy Nukleony w jądrze zachowują się jak cząsteczki w cieczy, więc własności jądra powinny być podobne do własności kropli cieczy (lepkość, ściśliwość, napięcie powierzchniowe, kształt,…). Silne oddziaływanie jądrowe odpowiada siłom lepkości, a siły elektrostatyczne - napięciu powierzchniowemu w kropli. Model powłokowy Jądro podobnie jak cały atom może pochłaniać i emitować określone kwanty energii. Oznacza to, że każdy nukleon zajmuje określoną powłokę. Wypełnianie poszczególnych powłok (powłoki dla neutronów i protonów są oddzielne) odpowiada kolejnym trwałym izotopom pierwiastków. Na każdej powłoce może być określona liczba nukleonów – jeśli powłoka jest całkowicie zapełniona – jądro jest szczególnie stabilne i ma kształt sferyczny. Krótkie omówienie istniejących teoretycznych modeli jądrowych: Model kropli cieczy (dobrze opisuje wibracje, rozszczepienie,..), model powłokowego (liczby magiczne, wzbudzenia jednocząstkowe,..) oraz modele kolektywne (rotacje, rotacje+wzbudzenia jednocząstkowe,..) Modele kolektywne Rotacje, oscylacja, wzbudzenia wielocząstkowe,… http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo

Kształty jąder w stanie podstawowym Jądra sferyczne - gdy Z i N są „magicznymi” liczbami : 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Zamknięte powłoki 1 lub 2 nukleony dodane do jąder sferycznych Niewielka deformacja typu „dysk” (ang.: oblate) a:b  1 : 1.1 Wiele nukleonów dodanych do jądra sferycznego: N i Z pomiędzy kolejnymi liczbami magicznymi. Zasada wykluczania Pauliego. Mała deformacja typu „cygaro” (ang.: prolate) a:b 1.2 : 1 http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo

Współistnienie kształtów: np.186Pb Kształty jąder bardzo ciężkich: „gruszka” (deformacja oktupolowa) Np. uran-232 (232U) ma 92 protony i 140 neutrony. Cześć sferyczna: A132 Cześć wydłużona: A100 186Pb Bardzo ciężkie jądra łatwo się rozszczepiają Współistnienie kształtów: np.186Pb http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo

Wzbudzanie jąder i metody badania własności stanów wzbudzonych Zderzenia ciężkich jonów Wzbudzenie kulombowskie b – parametr zderzenia b>R b<R Reakcja fuzji M·v·b = L L – momement pędu: kręt (też skwantowany) http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo

Rotacja  – moment bezwładności Schemat poziomów: pasmo rotacyjne 0+ 2+ 4+ 6+ 8+ 10+ 12+ 14+ Schemat poziomów: pasmo rotacyjne Im jądro bardziej zdeformowane ( większe), tym odległości energetyczne pomiedzy kolejnymi poziomami mniejsze http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo

Wibracja Wzbudzanie termiczne Schemat poziomów: wibrator 0+ 2+ 4+ 6+ Schemat poziomów: wibrator Wibracja C – wsp. sztywności jądra B - bezwładność n – 0,1,2,3,.. U – energia termiczna E* - energia wzbudzenia T – temperatura a – parametr gęstości poziomów Wzbudzanie termiczne http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo

Jak otrzymuje się schematy poziomów? http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo

„Tajemniczy świat jąder atomowych” Pracownia Struktury Jądra, parter Wielkie układy detektorów promieniowania gamma i emitowanych cząstek Kadr z filmu „The Hulk” GAMMASPHERE (USA) EUROBALL (Włochy, Francja, ???) Film „Tajemniczy świat jąder atomowych” Pracownia Struktury Jądra, parter http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo

Ewolucja kształtów szybko obracających się „zimnych” jąder „Cygaro” (a:b  1.3:1) Superdeformacja (a:b  „2:1”) ?? Hiperdeformacja (a:b  „3:1”) Długie pasma rotacyjne o dużym  Jeszcze nie odkryta, ale są pewne przesłanki sugerujące istnienie Uwaga: W rzeczywistości dla SD a:b=1.7:1, zaś 2:1 przewiduje się dla HD http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo

Jądra superzdeformowane trójosiowo Pasmo super-zdeformowane #2 Jądra superzdeformowane trójosiowo 163Lu Pasmo super-zdeformowane #1 a:b:c  1.6 : 1.2 : 1 Przejścia pomiędzy pasmami – „kolebanie się” „Kolebanie się” (ang. wobbling) http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo

Ewolucja kształtów szybko obracających się „rozgrzanych” jąder Sfera „Dysk” (a:b  1:1.2) Kształty Jacobiego C.G.J. Jacobi (1834): Grawitująca, nieściśliwa sfera rotująca synchronicznie Sfera  spłaszczający się dysk  bardzo wydłużone cygaro http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo

Gigantyczny rezonans dipolowy (GDR) jako sonda kształtów Drgania tłumione Sfera Cygaro 3-osie Dysk http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo

Przejście kształtu Jacobiego na płaszczyżnie b-g b = parametr deformacji b=0 dla sfery b=0.6 dla a:b=2:1 b=0.9 dla a:b-3:1 g – parametr nieosiowości g=0o dla cygara g=60o dla dysku g=30o dla 3-osi Kształt widma GDR Stwierdzenie istnienia kształtów Jacobiego w 46Ti http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo

Inne przewidywane egzotyczne kształty Kształty tetrahedralne (czworościan foremny – „piramida”) http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo

Główne osie symetrii „piramidy” Przewidywany schemat poziomów dla 110Zr http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo

Egzotyczne kształty c.d. Megadeformacja (a:b”4:1”) „Diament” (oktahedron) http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo

Podsumowanie Jądra atomowe nawet w stanach podstawowych mogą przybierać egzotyczne kształty, np. kształt „gruszki” Szybko obracające się jądra „zimne” mogą być superzdeformowane (elipsoida obrotowa z a:b=„2:1” lub elipsoida 3-osiowa z a:b:c=1.6:1.2:1). Próby poszukiwania hiperdeformacji (a:b=„3:1”) Szybko obracające się jądra „gorące” mogą przechodzić ewolucje sfera → dysk → bardzo wydłużone cygaro → rozszczepienie : kształty Jacobiego Teoria przewiduje istnienie jeszcze bardziej egzotycznych kształtów, jak np. „piramida”, „diament”, „megadeformacja” Eksperymentalne znajdowanie i badanie takich egzotycznych kształtów pozwala na weryfikacje modeli teoretycznych, co pośrednio pozwala nam lepiej poznać oddziaływania panujące w mikroświecie http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo

Co dalej? Rotująca grawitująca ściśliwa elipsoida Jacobi - Grawitująca, nieściśliwa sfera rotująca synchronicznie: Sfera  spłaszczający się dysk  bardzo wydłużone cygaro Rotująca grawitująca ściśliwa elipsoida Sfera  spłaszczający się dysk  spirala Czy tak może też być w jądrze ??? http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo

Podziękowania Kontakt: : Adam.Maj@ifj.edu.pl Animacje POV-Ray: Rafał Maj (Kraków) Dyskusje i rysunki: Jerzy Dudek (Strasburg), Bent Herskind (Kopenhaga), Atilla Krasznahorkay (Debrecen), Nicholas Schunck (Surrey), John Simpson (Daresbury) koledzy z Pracowni Struktury Jądra IFJ PAN oraz http://wwwnsg.nuclear.lu.se/basics/excitations.asp Fundusze: Grant KBN nr 2 P03B 118 22 Kontakt: : Adam.Maj@ifj.edu.pl http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo/ http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo