Wersja do druku

Słowniczek pojęć fizyki jądrowej
•
atom - najmniejsza ilość pierwiastka jaka może istnieć. Atomy składają się z małego,
gęstego jądra, zbudowanego z protonów i neutronów (nazywanych inaczej
nukleonami), otoczonego poruszającymi się elektronami. Liczba elektronów jest
równa liczbie protonów, a więc wypadkowy ładunek jest równy zeru. Można
przyjmować, że elektrony krążą po kołowych lub eliptycznych orbitach (teoria atomu
Bohra) lub bardziej ściśle, w obszarze przestrzeni wokół jądra atomowego. Struktura
elektronowa atomu, określa sposób, w jaki elektrony są rozmieszczone wokół jądra, w
szczególności poziomy energetyczne na jakich się znajdują. Każdy elektron można
scharakteryzować za pomocą zbioru czterech następujących czterech liczb
kwantowych
1. główna liczba kwantowa n
2. orbitalna liczba kwantowa l
3. magnetyczna liczba kwantowa m
4. spinowa liczba kwantowa ms
•
akcelerator - urządzenie służące do zwiększania energii kinetycznej cząstek
naładowanych
•
cyklotron - cykliczny akcelerator cząstek, w którym naładowane cząstki wprowadzone
do środka urządzenia są przyspieszane po torze spiralnym wewnątrz dwóch
wydrążonych przewodników w kształcie litery D (złożonych tak, jakby były rozciętym
kołem), zwanych duantami. Pole magnetyczne jest prostopadłe do płaszczyzny
duantów, a do duantów przyłożona jest zmienna różnica potencjałów. Częstość
zmiennej różnicy potencjałów jest tak dobrana, by cząstki były przyspieszane za
każdym razem, gdy ich tor przechodzi przez szczelinę między duantami. Pole
magnetyczne zakrzywia tor ich ruchu. Po paru tysiącach okrążeń wewnątrz duantów,
cząstki docierają do ich krawędzi, gdzie pole odchylające kieruje je na tarczę. W
urządzeniu tym protony mogą osiągać energię 10MeV. Pierwszy działający cyklotron
zbudował Ernest Orlando Lawrence (1901- 1958).
•
warszawski cyklotron - pierwsze plany zbudowania cyklotronu w Warszawie,
pojawiły się zaraz po zbudowaniu przez Lawrence'a cyklotronu w Berkeley. Decyzję
podjęto jednak dopiero w 1972r. - warszawskie urządzenie miało być podobne do
ciężko-jonowego cyklotronu U200 w Dubnej. Cały projekt uwieńczony został
sukcesem zainstalowania urządzenia w 1989r. W listopadzie 1993r. uzyskano
pierwszą wiązkę jonów
azotu,
tlenu
i
20
neonu.
Ne2+, a na wiosnę 1994r. uzyskano wiązki z jonów węgla,
Pierwsze
pełne
eksperymenty
zaczęto
w
1996r.
Magnes jest zbudowany w taki sposób aby jony ze stosunkiem liczby masowej do
ładunku elektrycznego A/Q = 4 mogły być przyspieszane bez żadnych poprawek.
Źródło jonów bazuje na ECR czyli na Elektronowym Rezonansie Cyklotronowym.
Obecnie zapewnia ono wiązki uzyskiwane ze związków chemicznych w postaci
gazowej. Prowadzone są też prace mające na celu powiększenie możliwości
uzyskiwania
wiązek,
przede
wszystkim
z
pierwiastków
metalicznych.
Źródło jonów, które umieszczone jest pod ziemią, połączone jest z centrum cyklotronu
za pomocą tzw. linii iniekcyjnej. Wiązka jonów utworzona w źródle jest ogniskowana
przez soczewkę elektrostatyczną i magnetyczną, które są umieszczone przy wejściu do
elektromagnesu.
Ten
elektromagnes
spełnia
jednocześnie
zadania
elementu
odchylającego i analizującego. Odgięta wiązka jest kierowana następnie do centrum
cyklotronu przy użyciu soczewek magnetycznych. Dalej w obszar przyspieszania
cyklotronu, wiązkę jonów ze źródła wprowadza tzw. elektrostatyczny inflektor
zwierciadlany. Po wielu obrotach wewnątrz komory cyklotronu jony uzyskują
odpowiednią energię i aby mogły zostać wykorzystane w eksperymentach należy je
wyprowadzić
do
jonowodów
i
dostarczyć
do
odpowiednich
urządzeń.
Istnieją dwie metody ekstrakcji wiązki jonowej w celu dostarczenia użytecznej do
celów badawczych, zewnętrznej wiązki. Pierwsza - elektrostatyczne odchylanie toru
wiązki, polega na zaaplikowaniu wysokiego napięcia w celu zaburzenia ruchu
przyspieszanych jonów, których radialna składowa pędu zostaje skierowana na
zewnątrz toru ruchu. Druga, to tzw. odarcie (ang. stripping) polega ona na
umieszczeniu cienkiej folii z węgla lub innej metalicznej substancji, w wybranej
pozycji komory cyklotronowej. Podczas przejścia przyspieszanych jonów przez folię
(niemierzalne straty energii), zostają uwolnione dodatkowe elektrony co przyczynia
się do zwiększenia ładunku jonów w wiązce. Masa jonu pozostaje niezmieniona więc
przy zmienionym ładunku musi zmienić się promień krzywizny, po którym poruszał w
polu magnetycznym:
E q 2 2 2
≈( ) B r
m m
gdzie E – energia jonu; q – ładunek jonu; m – masa jonu; r – promień orbity; B –
indukcja pola magnetycznego. To powoduje, że jon może opuścić komorę
cyklotronową i wylecieć na zewnątrz do jonowodu. W urządzeniu tym jony mogą
uzyskiwać energie do 10 MeV*A dla jonów od
10
B do
40
Ar. Więcej na ten temat
znajduje się na stronach warszawskiego cyklotronu [14].
•
czas życia - średni czas, podczas którego cząstka lub jądro promieniotwórcze znajduje
się w danym stanie kwantowym, zanim nastąpi rozpad lub też przejście atomu ze
stanu wzbudzonego do niższego stanu energetycznego
•
izotop - jeden z dwóch lub większej liczby atomów tego samego pierwiastka o takiej
samej liczbie protonów w jądrze, ale różnej liczbie neutronów.
•
jadro atomowe - centralna część atomu, w której jest skupiona większość jego
masy. Ma ładunek dodatni i zawiera jeden lub więcej nukleonów (protonów lub
neutronów). Ładunek dodatni jądra jest określony przez liczbę protonów (liczba
atomowa) i w obojętnym atomie jest on zneutralizowany przez taką samą liczbę
elektronów poruszających się wokół jądra. Neutrony dają wkład do masy atomu
(liczba masowa) ale nie dają wkładu do ładunku jądra. Najcięższym jądrem
występującym w przyrodzie jest jądro uranu - 238, zawierające 92 protony i 146
neutronów. Symbolem tego nuklidu jest
238
92
U - górny wskaźnik to liczba
masowa, a dolny - liczba atomowa. We wszystkich jądrach liczba masowa A jest
równa sumie liczby atomowej Z i liczby neutronów N : A = Z + N
•
konwersja wewnętrzna elektronu - proces w którym wzbudzone jądro atomowe
przechodzi do stanu podstawowego, a uwolniona energia zostaje przekazana
dzięki sprzężeniu elektromagnetycznemu jednemu ze związanych w atomie
elektronów, a nie emitowana w postaci fotonu. Zazwyczaj sprzężenie dotyczy
elektronu z powłoki K, L lub M. Elektron taki jest wyrzucany z atomu z energią
kinetyczną równą różnicy energii wzbudzenia jądra i energii wiązania elektronu.
Powstający wskutek tego procesu jon jest w stanie wzbudzonym i zwykle
wkrótce potem emituje elektron Augera lub foton promieniowania X.
•
poziom energetyczny - ściśle określona energia jaką może mieć układ
(cząsteczka, atom, elektron, jądro). Atom może pochłonąć kwant energii i stać
się atomem wzbudzonym, tylko wtedy gdy dodatkowa energia pozwoli przejść
elektronowi na inną dozwoloną orbitę. Atom przechodzi z jednego poziomu
energetycznego
na
inny,
nie
przechodząc
przez
poziomy
o
energii
odpowiadającej ułamkowi całkowitej energii przejścia. Poziomy dozwolone są
zazwyczaj przez energię poszczególnych elektronów w atomie i są zawsze niższe
od energii swobodnego elektronu.
•
promieniowanie multipolowe przejścia - stany jądra, między którymi następuje
przejście γ są zazwyczaj przedstawiane jako funkcje własne momentu pędu i
parzystości (są to wielkości zachowujące się podczas przejść). Rozwiązań
poszukujemy więc w postaci funkcji własnych momentu pędu. Rozwiązania te
określą nam pola multipolowe. Funkcje własne należące do określonej wartości L
odpowiadają polu promieniowania drgającego 2L-pola klasycznego. L jest więc
tzw. rzędem multipola. Dla L=1 promieniowanie jest dipolowe. Wyróżniamy
jednak dwa rodzaje promieniowania dipolowego: elektryczne i magnetyczne.
Drgający dipol elektryczny jest źródłem promieniowania elektrycznego, a
promieniowania magnetycznego – drgający dipol magnetyczny (np. kolisty
obwód,
w
którym
płynie
periodycznie
zmienny
prąd
elektryczny).
Charakteryzują się one tym, że w elektrycznym promieniowaniu dipolowym nie
występuje składowa radialna pola magnetycznego, a w magnetycznym
promieniowaniu dipolowym brak jest składowej radialnej pola elektrycznego.
Oprócz rzędu multipola L należy jeszcze określić charakter promieniowania.
Promieniowanie drgającego 2L
–
pola elektrycznego oznaczamy EL, a 2L-pola
magnetycznego ML. Tak więc M1 oznacza magnetyczne promieniowanie
dipolowe, E2 – elektryczne promieniowanie kwadrupolowe, M3 – magnetyczne
promieniowanie oktupolowe itd.
•
rozpad
promieniotwórczy
-
spontaniczna
przemiana
jednego
jądra
promieniotwórczego w jądro pochodne, które może być promieniotwórcze lub
nie, z emisją jednej lub większej liczby cząstek lub fotonów. Rozpad No jąder, z
których po czasie t powstaje N jąder, opisuje wzór: N = NO exp(−λ t ) gdzie λ
nazywa się stałą rozpadu. Odwrotnością stałej rozpadu jest średni czas życia.
Czas potrzebny na to, by połowa jąder uległa rozpadowi, czyli N = (1 2) NO ,
nazywa się czasem połowicznego rozpadu (lub okresem połowicznego rozpadu
(zaniku)). Te same pojęcia są stosowane w odniesieniu do cząstek, które
spontanicznie przemieniają się w inne cząstki (np. swobodny neutron rozpada się
na proton, elektron i neutrino).
•
wzbudzenie - proces, w którym jądro, elektron, atom, jon lub cząsteczka uzyskuje
energię, co powoduje przejście do innego stanu kwantowego (wzbudzonego) o
energii większej niż energia stanu podstawowego. Różnica między energią stanu
podstawowego i energią stanu wzbudzonego nosi nazwę energii wzbudzenia.
•
zjawisko Augera – emisja elektronu z atomu w wyniku przejścia elektronu w
atomie ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego, której nie towarzyszy
emisja fotonu promieniowania X. Ten typ przejścia pojawia się w zakresie
rentgenowskim widma emisyjnego. Energia kinetyczna wyrzuconego elektronu,
zwanego elektronem Augera, jest równa energii fotonu promieniowania X
odpowiadającego temu przejściu, pomniejszonej o energię wiązania elektronu
Augera.