Śladami Marii Curie :

odkrycie nowej promieniotwórczości

Marek PfütznerInstytut Fizyki Doświadczalnej

Uniwersytet Warszawski

VI Festiwal NaukiWarszawa, 21 września, 2002

Instytut Radowy w Paryżu11 rue Pierre-et-Marie-Curie

Promieniowanie

Każdy atom radu spontanicznie wyrzuca cząstkę i powstaje atom radonu.

Półokres rozpadu (czas połowicznego zaniku) Ra = 1600 lat.

Ok. 1 cząstka /sek.

1 atom Ra : czekamy 1600 lat szansa na rozpad = ½ czekamy 1 sek. szansa 1/100.000.000.000 = 1/1011

szansa trafienia szóstki w TotoLotku 1/107

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 : 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

- węgiel (6 protonów + 6 neutronów) : 12C

- węgiel (6 protonów + 7 neutronów) : 13C

izotopy

NuklidyNuklid (elektrycznie obojętny atom) : Z protonów + N neutronów + Z elektronów

Liczba Z decyduje o własnościach chemicznych pierwiastki chemiczne

Różne liczby N izotopy

liczba neutronów, N

liczb

a p

roto

nów

, Z

1 5 9

1

5

Mapa nuklidów

wodór

hel

izotopy węgla: 12C, 13C

Nuklidy trwałe

liczba neutronów, N

liczb

a p

roto

nów

, Z

287 nuklidów, w tym

83 pierwiastki od wodoru (Z=1) do uranu (Z=92)

?

przemiana

238U 4.5 mld lat

ołów

bizmut

uran

tor

Nuklidy promieniotwórcze

liczba neutronów N

przemiana n p

protoaktyn

125 130 135 140 145

rad

226Ra 1600 lat

radon

polon

liczba neutronów, N

liczb

a p

roto

nów

, ZNuklidy odkryte do dziś

- trwałe

-+

- -

-

- rozszczepienie

- p

Przemiana +

p n + e+ + eEmisja p

ZX Z-1Y + pPrzemiana -

n p + e- + e¯

Emisja

ZXN Z-2YN-2 +

Zagadka przemiany

226Ra : energia cząstek E = 5 MeV, T1/2 = 1600 lat

prędkość v = 0.05 c = 15000 km/s !

238U : E = 4.2 MeV, T1/2 = 4.5 mld lat

212Po : E = 8.8 MeV, T1/2 = 0.3 s

Dlaczego półokresy rozpadu tak bardzo się różnią ?

Cząstka o energii 5 MeV wystrzelona w kierunku jądra 222Rn możezbliżyć się do niego najwyżej na odległość 6 jego promieni !?

222Rn

E = 5 MeV

E E222Rn

5 MeV

Model „minigolfowy”

Ruch ładunku w polu elektrycznym można zobrazować toczeniem się kulki po nierównej powierzchni.

Kulka wtacza się na wysokość odpowiadającąpoczątkowej energii kinetycznej

E E

222Rn

5 MeV

Model „minigolfowy”

Ruch ładunku w polu elektrycznym można zobrazować toczeniem się kulki po nierównej powierzchni.

Kulka wtacza się na wysokość odpowiadającąpoczątkowej energii kinetycznej.

Staczając się z tej wysokości uzyskuje tę samą energię na końcu.

E 226Ra

5 MeV

Model „minigolfowy”

Jak cząstka z wnętrza 226Ra może znaleźć się nazewnątrz ?

Zachodzi kwantowe „przenikanie przez ścianę” !

E 212Po

5 MeV

Model „minigolfowy”

Jak cząstka z wnętrza 226Ra może znaleźć się nazewnątrz ?

Zachodzi kwantowe przenikanie przez ścianę !

Przy wyższej energii ściana jest cieńsza i prawdo-podobieństwo przenikania gwałtownie rośnie.

E

9 MeV

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

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.

Przykład : nowy rodzaj promienio-twórczości – emisja dwóch protonów

 Promieniotwórczość dwuprotonowa

+

45Fe

45Mn44Mn

43Cr

N19 20 21

26

25

24

23

Z

43V

45Cr

+

+

2p

Proces przewidziany teoretycznieprzed 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 (10 ms). ostry warunek energetyczny : E2p 1 MeV

Schemat współczesnego eksperymentu

tarcza

magnetycznyseparator produktów

Produkcja(reakcja jądrowa)

Selekcja

Obserwacja

Akceleratorpocisków

układ detektorówelektronika pomiarowa

komputery

Laboratorium GSI w Darmstadt

Akceleratory ...

... sterownie ...

... separatory magnetyczne ...

... detektory, elektronika i fizycy

Badanie 45Fe w GSI

Pocisk

58Niv = 0.8 c

= 240000 km/s

Tarcza

beryl

Separator

72 m

p

p

Detektor

krzem

Pomiary :

ok. 5 dni,

2.5 1014 pocisków

Analiza danych :

kilka miesięcy

elektronikakomputery

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 ?

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

liczba neutronów, N

liczb

a p

roto

nów

, ZEksploracja trwa...

obszar niezbadany

E-mail : pfutzner@mimuw.edu.pl