+/WE p - CERN Indico

Promieniotwórczość
od historycznych odkryć do badań współczesnych
Jan Kurcewicz
CERN, PH-SME
© transparencje: Marek Pfützner
3 września 2013
Przypadkowy początek
 W 1896 roku w Paryżu Antoine Henri Becquerel przypadkiem odkrył świat
zupełnie nowych zjawisk fizycznych, gdy wywołał płytkę fotograficzną, na której
leżał kawałek soli uranowej.
1903 – Nagroda Nobla z fizyki
Nagroda Nobla z fizyki, 1903:
„w uznaniu ich nadzwyczajnych
osiągnięć uzyskanych dzięki
wspólnym badaniom nad
zjawiskiem promieniotwórczości
odkrytym przez Profesora Henri
Becquerela”
2011 – Rok Marii Skłodowskiej-Curie
2011 – Międzynarodowy Rok Chemii
Nagroda Nobla z chemii, 1911:
„w uznaniu jej zasług dla
rozwoju chemii przez odkrycie
pierwiastków radu i polonu,
wydzielenie radu i badania
właściwości i związków tego
wyjątkowego pierwiastka”
http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1911/
Ernest Rutherford
 Wydzielił dwie składowe promieniowania:
a – mało przenikliwe, o dodatnim ładunku
słabo zaginane w polu magnetycznym
b – bardziej przenikliwe, o ujemnym ładunku
silnie zaginane przez pole magnetyczne
 Sformułował wykładnicze prawo
spontanicznych przemian
promieniotwórczych
Nagroda Nobla z chemii, 1908:
„za badania rozpadów pierwiastków i
własności chemicznych substancji
promieniotwórczych ”
E. Rutherford (1871-1937)
Rozpraszanie cząstek a
 Współpracownicy Rutherforda, H. Geiger i
E. Marsden badali rozpraszanie cząstek a
na cienkiej folii złota. W większości przypadków
tory cząstek uginały się pod małymi kątami.
Okazało się jednak, że czasem cząstka a
rozprasza się do tyłu!
Rutherford: "To było chyba najbardziej
niewiarygodne zdarzenie w moim życiu.
To tak, jakby pocisk artyleryjski wielkiego
kalibru, wystrzelony w kierunku cienkiej kartki
papieru, odbił się od niej i powrócił do
strzelającego”.
Odkrycie jądra atomowego
 Praktycznie cała masa atomu skupiona
jest w bardzo małym centralnym punkcie
nazwanym jądrem atomowym
Philosophical Magazine, May 1911, ser.6, xxi, pp.669-88
Budowa atomu
Składniki :
Jądro atomowe
Powłoka elektronowa
proton (q = +1)
neutron (q = 0)

elektron (q = -1)
Przykłady jąder atomowych :
- wodór (1 proton)
- hel (2 protony + 2 neutrony) = cząstka a
+6
- węgiel (6 protonów + 6 neutronów) : 12C
izotopy
węgiel
- węgiel (6 protonów + 7 neutronów) : 13C
Hierarchiczna budowa materii
Kryształ
10-9 m = 1 nm
Atom
10-10 m = 1 Å
10-14
Jądro
m = 10 fm
Nukleon
(proton, neutron)
10-15 m = 1 fm
Kwarki, elektrony
elementarne ? punktowe ?
Nuklidy
Nuklid (elektrycznie obojętny atom) :
Z protonów + N neutronów + Z elektronów
Liczba Z decyduje o własnościach chemicznych
 pierwiastki chemiczne
Różne liczby N  izotopy
Mapa nuklidów
izotopy węgla:
12C, 13C
Z N
Z
Nn N
liczba protonów, Z
Symbol nuklidu
5
hel
wodór
1
1
5
liczba neutronów, N
9
Nuklidy trwałe
287 nuklidów, w tym
liczba protonów, Z
83 pierwiastki od wodoru (Z=1)
do uranu (Z=92)
liczba neutronów, N
?
Nuklidy promieniotwórcze
238U
4.5 mld lat
uran
protoaktyn
226Ra
tor
1600 lat
rad
214 Po
218 Po
160 ms
radon
3 min.
przemiana a
polon
przemiana b
np
bizmut
ołów
125
130
135
liczba neutronów N
140
145
Wszystkie nuklidy
Rozszczepienie
Emisja a
Z = 82
liczba protonów Z
Przemiana b+
Z XN
 Z-2YN-2 + a
Y+Z
N = 126
Przewidywany obszar
nuklidów związanych
Z = 50
p  n + e+ + ne
N = 82
Przemiana b-
WE
–a
N = 50
n  p + e- + n¯e
Z=8
N = 28
N = 20
N=8
trwałe
– b-
Z = 20
Z=2
– nuklidy
– b+ /
Z = 28
N=2
Z XN
liczba neutronów N
– rozszczepienie
Jądrowa „dolina”
Masa nuklidu
Przemiany b jąder
Zbiór nuklidów o tej samej liczbie nukleonów (izobary)
45
23
Masa nuklidu
V22
A = 45
b
b
45
22
Ti 23
b
45
21
b
45
20

45
19
Ca 25
Sc 24
Masa(45Ti) > Masa(45Sc) W przemianie
45Ti
 45Sc
może wydzielić się energia: E = DM  c2
Teoria względności w działaniu!
K 26
Przemiany b – oddziaływania słabe
proton
ne
neutron
e
ne
neutron
e
ne
później
e
wcześniej
neutron
Przemiana b neutronu
M(n) > M(p)
proton
Przemiana b protonu
proton
Wychwyt elektronu
Stany wzbudzone – atom
Atom: elektrony mogą znajdować się w stanach (orbitach) o różnych
energiach. Przejścia między stanami związane są z emisją
(lub absorpcją) promieniowania elektromagnetycznego (fotonów).
 W zależności od różnicy energii między stanami, możemy mieć
promieniowanie X, UV, widzialne lub podczerwone
Stany wzbudzone – jądro
Jądro: sytuacja jest analogiczna – protony i neutrony mogą poruszać się na
różnych orbitalach o różnych energiach. Przejścia między tymi stanami
także związane są z emisją (lub absorpcją) promieniowania
Energia [MeV]
elektromagnetycznego. Nosi ono nazwę promieniowania g.
g2
g3
stany wzbudzone
g1
stan podstawowy
Promieniowanie g – oddziaływanie
elektromagnetyczne
 Promieniowanie g często
towarzyszy przemianom b
45
23
V22
b
b
45
22
Ti 23
b
45
21
b
Sc 24
45
20
Ca 25

45
19
K 26
Przemiana a – oddziaływanie silne
Cząstka a to jądro helu:
a  42 He 2
T1/2 = 3.8 d
a
masa  c2
T1/2 = 3 min
a
222
86 Rn
Ea = 5.5 MeV
218
84 Po  a
Ea = 6.0 MeV
214
82 Pb  2a
Ea  DM  c2
Ea = 5 MeV  prędkość v = 0.05 c = 15000 km/s !
Statystyka
Instytut Radowy w Paryżu
Każdy atom radu spontanicznie wyrzuca cząstkę a
i powstaje atom radonu.
Okres półrozpadu (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 = 1/10 11
szansa trafienia szóstki w TotoLotku  1/107
Ok. 1 cząstka a/sek.
 Kartka z dziennika pomiarowego
była zabrudzona radem i jest
ciągle radioaktywna!
na kartce jest ok. 10 11 atomów Ra
- dla fizyków to dużo,
- ale dla chemików bardzo mało :
1/(31010) g = 1/30.000.000.000 g.
Zagadka okresów półrozpadu a
238U
: Ea = 4.2 MeV, T1/2 = 4.5 mld lat
222Rn
: Ea = 5.5 MeV, T1/2 = 3.8 dni
214Po
: Ea = 7.7 MeV, T1/2 = 164 ms
Dlaczego okresy półrozpadu tak bardzo się różnią ?
Zrozumienie zależności półokresu rozpadu od energii
wymaga zastosowania innego wielkiego odkrycia
fizyki XX w. : mechaniki kwantowej.
Jądro atomu to obiekt kwantowy
energia potencjalna
 Siły jądrowe tworzą „dołek”
potencjału dla neutronów i protonów.
neutrony
protony
 Protony czują dodatkowo
odpychanie elektrostatyczne.
r
R
odległość od środka, r
 Cząstki nie mogą opaść na dno
„dołka”, muszą zajmować „półki”,
po dwie cząstki na „półce”.
(zakaz Pauliego)
 Przenosząc cząstki na wyższe „półki”
tworzymy stan wzbudzony.
Jak zachodzi emisja a?
energia potencjalna
 W jądrze nietrwałym ze względu na
przemianę a nukleony tworzą cząstkę a
neutrony
o dodatniej energii, która jednak nie może
protony
wydostać się z jamy potencjału!
Ea
r
R
r
 Konieczny jest jakiś proces przejścia
przez barierę  tunelowanie kwantowe
 Przy wyższej energii ściana jest cieńsza i
prawdopodobieństwo przenikania przez barierę
gwałtownie rośnie.
Nowe rodzaje przemian
1963
liczba protonów Z
Przemiana bp(p)
1982
Emisja p
ZX
 Z-1Y + p
1984
Emisja 14C
Z XN
 Z-6YN-8 + 14C
2002
Emisja 2p
– nuklidy
– b+ /
trwałe
WE
– b–a
ZX
 Z-2Y + 2p
– rozszczepienie
–
liczba neutronów N
p, 2p
Przemiana b z emisją protonu
 Po przemianie b jądro końcowe często znajduje się w stanie wzbudzonym.
Zazwyczaj nastepuje wtedy przejście g do stanu o mniejszej energii.
 Gdy jądro początkowe ma duży niedobór neutronów, stan po przemianie b
może być nietrwały i następuje emisja protonu.
Jest to tzw. opóźniona emisja protonu.
T1 2  8 ms
13
8
b+/WE
O5
g
13
7
p
N6
12
6
C6  p
Przykład: opóźniona emisja protonu (bp) po przemianie b
13O
Promieniotwórczość protonowa
energia potencjalna
neutrony
 Gdy jądro ma wielki niedobór neutronów
i nieparzystą liczbę protonów, ostatni
proton może już nie być związany.
Wtedy zamiast przemiany b, może nastapić
emisja protonu.
protony
Ep
r
R
r
 Promieniotwórczośc protonowa zachodzi
analogicznie do przemiany a. Kluczową
rolę odgrywa w niej kwantowe tunelowanie
przez barierę potencjału
Schemat współczesnego eksperymentu
Produkcja
(reakcja jądrowa)
Selekcja
Akcelerator
pocisków
tarcza
Obserwacja
magnetyczny
separator
produktów
 O metodach wytwarzania promieniotwórczych
nuklidów będzie mowa na nastepnym wykładzie
układ detektorów
elektronika pomiarowa
komputery
Nowy typ detektora
Nowatorski detektor zaprojektowany
i skonstruowany w Warszawie.
Rejestruje tory cząstek naładowanych
metodą fotografii cyfrowej
OTPC – Optical Time Projection Chamber
Przemiana b z emisją trzech protonów
 Przy pomocy detektora OTPC odkryliśmy
bardzo rzadki proces emisji trzech protonów
p
p
po przemianie b !
T1 2  21 ms
43
24
p
b+/WE
43
Cr19
p
p
p
43
23
V20
Ti 20  p
42
22
41
21
Sc 20  2 p
40
20
Ca 20  3p
Cr
Promieniotwórczość dwuprotonowa
 Gdy jądro ma wielki niedobór neutronów i parzystą liczbę protonów może
wyrzucić jednocześnie dwa protony. Ale możliwa jest też przemiana b+!
Dwa protony uwięzione w jamie potencjału,
energia potencjalna
neutrony
podobnie jak cząstka a !
 Konkurencja: co zajdzie szybciej,
przemiana b, czy tunelowanie pary protonów?
protony
E2 p
r
R
r
?
Badanie 48Ni
Eksperyment na Uniwersytecie stanu Michigan (USA), marzec 2011
2p
48Ni
48Ni
p
Promieniotwórczość 2p
Przemiana b z emisja protonu
Możliwe przemiany 48Ni

48Ni
rozpada się na dwa sposoby! Albo 2p albo b+
47
27
46
26
Co 20  p
Fe20  2 p
2 atomy
T1 2  2 ms
2p
48
28
Ni 20
b+/WE
p
4 atomy

48Ni
ma największy deficyt neutronów
spośród wszystkich jąder badanych
dotychczas
48
27
Co21
47
26
Fe 21  p
Przemiana b z emisją deuteronu
 Eksperyment w CERN-Isolde, VIII 2012
Qd  2034 keV
bd 10 6
 100%
a d
Raz na milion przypadków 6He
rozpada się na cząstke a i deuteron
Ekscytująca perspektywa
FAIR w Darmstadt (Niemcy)
 Powstają nowe laboratoria,
o znacznie większym potencjale
badawczym. Za kilka lat będzie
można w nich badać nuklidy, które
dziś są jeszcze niedostępne.
EURISOL (?)
HIE-Isolde w CERN
Podsumowanie
Energia [MeV]
 W przemianach jądrowych odgrywają rolę
oddziaływania słabe, elektromagnetyczne i silne.
 Do opisu procesów jądrowych konieczna jest
mechanika kwantowa. Potrzebna bywa też
szczególna teoria względności. Istotne są prawa
dotyczące układów wielu ciał.
b +/WE
Z+1, N-1
p
g
bZ-1, N+1
Z, N
Spektroskopia jądrowa poznaje budowę i własności
jąder atomowych poprzez przemiany zachodzące
między ich stanami.
 Dzięki wielkiemu bogactwu zjawisk, w jakich jądra
atomowe biorą udział, są one ważnym obiektem
badań podstawowych. Pełnią też istotną rolę w
innych dziedzinach nauki i w zastosowaniach
(fizyka materii skondensowanej, chemia, biologia,
medycyna, energetyka, ...)
Dziękuję za uwagę!