Egzotyczne nuklidy a historia kosmosu

1. Egzotyczne nuklidya historia kosmosu Marek PfütznerInstytut Fizyki Doświadczalnej UW Ogólnopolskie Seminarium Nauczycieli Fizyki, 16 marca 2005

2. Ok. 1 cząstka a/sek. Instytut Radowy w Paryżu 11 rue Pierre-et-Marie-Curie T1/2(Ra) = 1600 lat  1011 atomów Ra !

3. Mapa nuklidów izotopy węgla: 12C, 13C 5 hel liczba protonów, Z wodór 1 9 5 1 liczba neutronów, N Nuklidy  Nuklid (atom, zazwyczaj obojętny elektrycznie) : Z protonów + N neutronów + Z elektronów  Nuklid pozbawiony części (lub wszystkich) elektronów  jon  Liczba Z decyduje o własnościach chemicznych  pierwiastki chemiczne  Różne liczby N  izotopy

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

5. protaktyn 226Ra 1600 lat rad radon przemianaa polon przemiana bn p Nuklidy promieniotwórcze 238U 4.5 mld lat uran tor bizmut ołów 140 145 125 135 130 liczba neutronówN

6. Przemiana b+ Z = 82 Emisja a Emisja 2p N = 126 Emisja p p  n + e+ + ne ZXN Z-2YN-2 + a Z = 50 ZX  Z-2Y + 2p N = 82 ZX  Z-1Y + p Przemiana b- - trwałe Z = 28 -rozszczepienie N = 50 Z = 20 - a „Terra incognita”czeka na odkrycie i zbadanie - b- n  p + e- + ne ¯ Z = 8 N = 28 N = 20 - b+ Z = 2 N = 8 - p N = 2 Wszystkie nuklidy liczba protonów, Z liczba neutronów,N

7. Przykłady :  Izotopy o wielkim niedoborze lub nadmiarze neutronów, czyli nuklidy bardzo dalekie od ścieżki trwałości. Nuklidy egzotyczne W warunkach ziemskich niezwykle trudne do wytworzeniai bardzo nietrwałe.  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 Na dwóch przykładach zilustrujemy związek między własnościaminuklidów egzotycznych a poznawaniem historii kosmosu. 1. Pełne zrozumienie procesów nukleosyntezy wymaga zbadania nuklidów bardzo dalekich od ścieżki trwałości. 2.Niezwykła przemiana beta, która może zachodzić tylko wtedy, gdy atom pozbawiony jest wszystkich elektronów, co zaburza bieg kosmicznego zegara.

9. Nukleosynteza w gwiazdach 56Fe Reakcje fuzji termojądrowej zachodzące w gwiazdach prowadzą do wytworzenia pierwiastków tylko do żelaza. Energia wiązania na nukleon [MeV] Liczba masowa

10. Rozpowszechnienie nuklidów

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

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

13. Symulacja procesu r

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

15. Przewidywania mas nuklidów Izotopy cezu Z = 55 Różnice (MeV/c2) Masy zmierzone

16. Pomiary mas w pierścieniu ESR W latach 1997 – 2002zmierzono ok. 370 mas nuklidów egoztycznych – technika Schottky’ego – tryb izochroniczny – masy nieznane, T > 1 s – masy nieznane, T < 1 s

17. Dwa zagadnienia Na dwóch przykładach zilustrujemy związek między własnościaminuklidów egzotycznych a poznawaniem historii kosmosu. 1. Pełne zrozumienie procesów nukleosyntezy wymaga zbadania nuklidów bardzo dalekich od ścieżki trwałości. 2.Niezwykła przemiana beta, która może zachodzić tylko wtedy, gdy atom pozbawiony jest wszystkich elektronów, co zaburza bieg kosmicznego zegara.

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

19. Energia nuklidu Przypadek 187Re Półokres rozpadu obojętnego 187Re :T1/2 = 42.3·109 lat Możliwa przemiana tylko do stanu pod-stawowego 187Os

20. 450 0 Przemiana zjonizowanego 187Re Energia [keV] 2.7 keV

21.  Zabieramy wszystkie elektrony orbitalne. 450  Zwykła przemiana b nie jest teraz możliwa ! Btot(Re) Btot(Os) 0 Przemiana zjonizowanego 187Re Energia [keV] 2.7 keV

22. 450 63 keV 0 Przemiana beta do stanu związanego Przemiana zjonizowanego 187Re  Zabieramy wszystkie elektrony orbitalne.  Zwykła przemiana b nie jest teraz możliwa ! BK(Os)  Ale emitowany elek- tron może zatrzymać się na pustym orbitalu atomowym ! Btot(Re) Energia [keV] 2.7 keV

23. N 0 50 m Laboratorium GSI Darmstadt Hala eksperymentów Źródło jonów UNILAC ESR FRS Jony o energii 3 – 20 MeV/nukleon (8 – 20% c) Jony o energii do 1 GeV/nukleon ( 90% c) SIS

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

25. Fragment pierścienia ESR

26. E = 750(50) keV Częstość obiegu: (1 jon) (1 jon) Metoda szumów Schotky’ego Rejestracja cząstek w pierścieniu Intensywność Częstość [Hz]

27. 350 MeV/u 1.Wstrzyknięcie wiązki 187Re75+(108 jonów). Pomiar 187Re w pierścieniu ESR 2.Chłodzenie elektronami (ok. 30 s). 3.Jony krążą przez zadany czas ( 0 – 5 h ) i ulegają przemianie : tworzy się 187Os75+. 4.Wstawienie tarczy gazowej (strumień argonu), zdarcie elektronu z 187Os75+ 187Os76+. 5.Rejestracja cząstek w pierścieniu : detekcja jonów 187Os76+.

28. Wynik eksperymentu Liczba jonów 187Os76+ w funkcji czasu  Wniosek : Półokres rozpadu całkowicie zjonizowanego 187Re :T1/2= 32.9 ± 2.0 lat Półokres rozpadu obojętnego 187Re :T1/2 = 42.3·109 lat Jeśli 187Re pozbawimy elektronów, to rozpada się miliard (109) razy szybciej !

29. 187Re 187Os Kosmiczny zegar  Długożyciowe nuklidy, jak 187Re, pomagają wyznaczyć wiek naszej Galaktyki.  W trakcie swej historii 187Re mógł znajdować się w warunkach b. wysokiej temperatury (wnętrza gwiazd), gdzie był zjonizowany. Zegar oparty na tym nuklidzie przyspiesza wtedy do 109 razy.  Efektywne tempo zaniku 187Re zależy od :– T1/2 w stanie obojętnym i zjonizowanym (fizyka jądrowa),– chemicznej ewolucji Galaktyki (astrofizyka).  Obecny stan wiedzy : Teff1/2 (187Re)  25 Gy wiek Galaktyki : TG > 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.  Własności takich egzotycznych nuklidów są potrzebne m.in. do: –zrozumienia procesów nukleosyntezy,–„regulacji” kosmicznych zegarów.  Jako ilustrację związku fizyki jądrowej z astrofizyką omówiłem :–trudności z opisem procesu r,–rozpad beta 187Re 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.

31. Planowana rozbudowa GSI Projekt zatwierdzony do realizacji  http://www.gsi.de

32. Planowane intensywności wiązek radioaktywnych