Śladami Marii Curie : odkrycie nowej promieniotwórczości Marek Pfützner Instytut Fizyki Doświadczalnej Uniwersytet Warszawski VI Festiwal Nauki Warszawa, 21 września, 2002
11 rue Pierre-et-Marie-Curie Instytut Radowy w Paryżu 11 rue Pierre-et-Marie-Curie
Promieniowanie Każdy atom radu spontanicznie wyrzuca cząstkę a i powstaje atom radonu. Półokres rozpadu (czas połowicznego zaniku) Ra = 1600 lat. 1 atom Ra : czekamy 1600 lat szansa na rozpad a = ½ czekamy 1 sek. szansa 1/100.000.000.000 = 1/1011 szansa trafienia szóstki w TotoLotku 1/107 Ok. 1 cząstka a/sek. na kartce jest ok. 1011 atomów Ra - dla fizyków to dużo, - ale dla chemików bardzo mało : 1/(31010) g = 1/30.000.000.000 g.
Budowa atomu Składniki : Przykłady jąder atomowych : Jądro atomowe proton (q = +1) neutron (q = 0) elektron (q = -1) Powłoka elektronowa Przykłady jąder atomowych : - wodór (1 proton) - hel (2 protony + 2 neutrony) = cząstka a - węgiel (6 protonów + 6 neutronów) : 12C - węgiel (6 protonów + 7 neutronów) : 13C izotopy
Nuklidy Nuklid (elektrycznie obojętny atom) : Z protonów + N neutronów + Z elektronów Liczba Z decyduje o własnościach chemicznych pierwiastki chemiczne Różne liczby N izotopy liczba neutronów, N liczba protonów, Z 1 5 9 Mapa nuklidów izotopy węgla: 12C, 13C hel wodór
? Nuklidy trwałe 287 nuklidów, w tym 83 pierwiastki od wodoru (Z=1) do uranu (Z=92) liczba protonów, Z liczba neutronów, N
Nuklidy promieniotwórcze 4.5 mld lat uran przemiana a przemiana b n p protoaktyn rad 226Ra 1600 lat tor radon polon bizmut ołów 125 130 135 140 145 liczba neutronów N
Nuklidy odkryte do dziś Przemiana b+ p n + e+ + ne Emisja a ZXN Z-2YN-2 + a Emisja p ZX Z-1Y + p liczba protonów, Z - trwałe - b+ - b- - a - rozszczepienie - p Przemiana b- n p + e- + ne ¯ liczba neutronów, N
Zagadka przemiany a 226Ra : energia cząstek a, Ea = 5 MeV, T1/2 = 1600 lat prędkość v = 0.05 c = 15000 km/s ! 238U : Ea = 4.2 MeV, T1/2 = 4.5 mld lat 212Po : Ea = 8.8 MeV, T1/2 = 0.3 ms Dlaczego półokresy rozpadu tak bardzo się różnią ? Cząstka a o energii 5 MeV wystrzelona w kierunku jądra 222Rn może zbliżyć się do niego najwyżej na odległość 6 jego promieni !? 222Rn a Ea = 5 MeV
Model „minigolfowy” Ea 222Rn a 5 MeV a Ruch ładunku w polu elektrycznym można zobrazować toczeniem się kulki po nierównej powierzchni. Kulka wtacza się na wysokość odpowiadającą początkowej energii kinetycznej a 5 MeV Ea Ea 222Rn a
Model „minigolfowy” Ea 222Rn a 5 MeV a 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. a 5 MeV Ea Ea 222Rn a
Model „minigolfowy” Ea 226Ra a a 5 MeV Jak cząstka a z wnętrza 226Ra może znaleźć się na zewnątrz ? Zachodzi kwantowe „przenikanie przez ścianę” ! a a 5 MeV Ea 226Ra
Model „minigolfowy” Ea Ea 212Po a a 9 MeV 5 MeV Jak cząstka a 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. a a 9 MeV Ea 5 MeV Ea 212Po
Badania egzotycznych nuklidów (na skraju mapy) Nuklidy dalekie od „ścieżki stabilności” : żyją bardzo krótko, trudno je wytworzyć. Ale : mają inne własności niż nuklidy już poznane, są bardzo ważne poznawczo, występują wśród nich nowe zjawiska. 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 Przykład : nowy rodzaj promienio- twórczości – emisja dwóch protonów
Promieniotwórczość dwuprotonowa b+ 45Fe 45Mn 44Mn 43Cr N 19 20 21 26 25 24 23 Z 43V 45Cr 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 b (10 ms). ostry warunek energetyczny : E2p 1 MeV
Schemat współczesnego eksperymentu Produkcja (reakcja jądrowa) Selekcja Akcelerator pocisków tarcza Obserwacja magnetyczny separator produktów układ detektorów elektronika pomiarowa komputery
Laboratorium GSI w Darmstadt
Akceleratory ...
... sterownie ...
... separatory magnetyczne ...
... detektory, elektronika i fizycy
Badanie 45Fe w GSI Pocisk Tarcza Separator Detektor elektronika komputery p 58Ni v = 0.8 c = 240000 km/s beryl 72 m krzem Pomiary : ok. 5 dni, 2.5 1014 pocisków Analiza danych : kilka miesięcy Wyniki : 5 atomów 45Fe wydzielona energia, E = 1.1 MeV półokres rozpadu, T1/2 3 ms zgodne tylko z hipotezą emisji 2p ! Inny eksperyment, we Francji, potwierdził to odkrycie
Na przyszłość Poszukiwania innych nuklidów emitujących 2p (48Ni, 54Zn,...) Rejestracja obydwu protonów oddzielnie jakie jest ich wzajemne oddziaływanie ? jak przechodzą przez „ścianę” ? jak zachowują się wewnątrz jądra ? W świecie nuklidów występuje bogactwo zjawisk Duża część tego świata nie jest jeszcze poznana Gdzie i jak powstały w Kosmosie ciężkie pierwiastki ?
E-mail : pfutzner@mimuw.edu.pl Eksploracja trwa... liczba protonów, Z obszar niezbadany liczba neutronów, N E-mail : pfutzner@mimuw.edu.pl