Egzotyczne kształty jąder atomowych

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

2. „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

3. 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? Plan referatu http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo

4. 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. http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo

5. 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. • Modele kolektywne • Rotacje, oscylacja, wzbudzenia wielocząstkowe,… http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo

6. 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

7. 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

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

9. 14+ Schemat poziomów: pasmo rotacyjne 12+ 10+ 8+ 6+ 4+ 2+ 0+ Rotacja  – moment bezwładności Im jądro bardziej zdeformowane ( większe), tym odległości energetyczne pomiedzy kolejnymi poziomami mniejsze http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo

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

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

12. 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

13. 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

14. 163Lu Pasmo super-zdeformowane #1 Pasmo super-zdeformowane #2 Przejścia pomiędzy pasmami – „kolebanie się” Jądra superzdeformowane trójosiowo a:b:c  1.6 : 1.2 : 1 „Kolebanie się” (ang. wobbling) http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo

15. Ewolucja kształtów szybko obracających się „rozgrzanych” jąder „Dysk” (a:b  1:1.2) Sfera 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

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

17. Kształt widma GDR 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 Stwierdzenie istnienia kształtów Jacobiego w 46Ti http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo

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

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

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

21. 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

22. Co dalej? 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

23. Podziękowania 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