Śladami Marii Curie : odkrycie nowej promieniotwórczości

Śladami Marii Curie :odkrycie nowej promieniotwórczości Marek Pfützner Instytut Fizyki DoświadczalnejUniwersytet Warszawski VI Festiwal Nauki Warszawa, 21 września, 2002

Instytut Radowy w Paryżu 11 rue Pierre-et-Marie-Curie

na kartce jest ok. 1011 atomów Ra- dla fizyków to dużo, - ale dla chemików bardzo mało : 1/(31010)g = 1/30.000.000.000 g. Ok. 1 cząstka a/sek. 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

Jądro atomowe Powłoka elektronowa proton (q = +1) • elektron (q = -1) neutron (q = 0) Przykłady jąder atomowych : - wodór (1 proton) - hel (2 protony + 2 neutrony) = cząstka a - węgiel (6 protonów + 6 neutronów) : 12C izotopy - węgiel (6 protonów + 7 neutronów) : 13C Budowa atomu Składniki :

Mapa nuklidów izotopy węgla: 12C, 13C 5 hel liczba protonów, Z wodór 1 9 5 1 liczba neutronów, N Nuklidy Nuklid (elektrycznie obojętny atom) : Z protonów + N neutronów + Z elektronów Liczba Z decyduje o własnościach chemicznych  pierwiastki chemiczne Różne liczby N izotopy

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

protoaktyn 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

Przemiana b+ Emisja a Emisja p p  n + e+ + ne ZXN Z-2YN-2 + a ZX  Z-1Y + p Przemiana b- - trwałe - b+ - b- n  p + e- + ne - a ¯ -rozszczepienie - p Nuklidy odkryte do dziś liczba protonów, Z liczba neutronów,N

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

Model „minigolfowy” Ruch ładunku w polu elektrycznym można zobrazować toczeniem się kulki po nierównej powierzchni. Kulka wtacza się na wysokość odpowiadającąpoczątkowej energii kinetycznej a 5 MeV Ea Ea 222Rn a

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. a 5 MeV Ea Ea 222Rn a

Zachodzi kwantowe „przenikanie przez ścianę” ! Model „minigolfowy” Jak cząstka a z wnętrza 226Ra może znaleźć się nazewnątrz ? a a 5 MeV Ea 226Ra

Model „minigolfowy” Jak cząstka a z wnętrza 226Ra może znaleźć się nazewnątrz ? Zachodzi kwantowe przenikanie przez ścianę ! Przy wyższej energii ściana jest cieńsza i prawdo-podobieństwo przenikania gwałtownie rośnie. a 9 MeV a Ea 5 MeV Ea 212Po

Z = 82 N = 126 Z = 50 Przykład : nowy rodzaj promienio-twórczości – emisja dwóch protonów N = 82 Z = 28 N = 50 Z = 20 Z = 8 N = 28 N = 20 Z = 2 N = 8 N = 2 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 45Fe 26 b+ 25 45Mn 44Mn 2p b+ 24 43Cr 45Cr b+ 43V 23 19 21 20 N Promieniotwórczość dwuprotonowa 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 b (10 ms).  ostry warunek energetyczny : E2p 1 MeV

Schemat współczesnego eksperymentu Produkcja(reakcja jądrowa) Selekcja Akceleratorpocisków tarcza Obserwacja magnetyczny separator produktów układ detektorówelektronika pomiarowakomputery

Laboratorium GSI w Darmstadt

Akceleratory ...

... sterownie ...

... separatory magnetyczne ...

... detektory, elektronika i fizycy

Wyniki : • 5 atomów 45Fe • wydzielona energia, E = 1.1 MeV • półokres rozpadu, T1/2 3 ms zgodne tylko z hipotezą emisji 2p ! Badanie 45Fe w GSI Pocisk Tarcza Detektor Separator p elektronika komputery p 58Niv = 0.8 c = 240000 km/s 72 m beryl krzem Pomiary : ok. 5 dni, 2.5  1014 pocisków Analiza danych : kilka miesięcy 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 = 82 N = 126 Z = 50 N = 82 Z = 28 N = 50 Z = 20 Z = 8 N = 28 N = 20 Z = 2 N = 8 N = 2 Eksploracja trwa... liczba protonów, Z obszar niezbadany liczba neutronów,N E-mail : pfutzner@mimuw.edu.pl

Śladami Marii Curie : odkrycie nowej promieniotwórczości