1 Śladami Marii Curie : odkrycie nowej promieniotwórczościMarek Pfützner Instytut Fizyki Doświadczalnej Uniwersytet Warszawski VI Festiwal Nauki Warszawa, 21 września, 2002

2 11 rue Pierre-et-Marie-CurieInstytut Radowy w Paryżu 11 rue Pierre-et-Marie-Curie

3 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/ = 1/1011 szansa trafienia szóstki w TotoLotku  1/107 Ok. 1 cząstka a/sek. na kartce jest ok atomów Ra - dla fizyków to dużo, - ale dla chemików bardzo mało : 1/(31010) g = 1/ g.

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

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

6 ? Nuklidy trwałe 287 nuklidów, w tym83 pierwiastki od wodoru (Z=1) do uranu (Z=92) liczba protonów, Z liczba neutronów, N

7 Nuklidy promieniotwórcze4.5 mld lat uran przemiana a przemiana b n  p protoaktyn rad 226Ra 1600 lat tor radon polon bizmut ołów 125 130 135 140 145 liczba neutronów N

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

9 Zagadka przemiany a 226Ra : energia cząstek a, Ea = 5 MeV, T1/2 = 1600 lat  prędkość v = 0.05 c = 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 ? Cząstka a o energii 5 MeV wystrzelona w kierunku jądra 222Rn może zbliżyć się do niego najwyżej na odległość 6 jego promieni !? 222Rn a Ea = 5 MeV 

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

11 Model „minigolfowy” Ea 222Rn a 5 MeV aRuch ładunku w polu elektrycznym można zobrazować toczeniem się kulki po nierównej powierzchni. Kulka wtacza się na wysokość odpowiadającą początkowej energii kinetycznej. Staczając się z tej wysokości uzyskuje tę samą energię na końcu. a 5 MeV Ea Ea 222Rn a

12 Model „minigolfowy” Ea 226Ra a a 5 MeVJak cząstka a z wnętrza 226Ra może znaleźć się na zewnątrz ? Zachodzi kwantowe „przenikanie przez ścianę” ! a a 5 MeV Ea 226Ra

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

14 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 = 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 Przykład : nowy rodzaj promienio- twórczości – emisja dwóch protonów

15 Promieniotwórczość dwuprotonowab+ 45Fe 45Mn 44Mn 43Cr N 19 20 21 26 25 24 23 Z 43V 45Cr 2p Proces przewidziany teoretycznie przed 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

16 Schemat współczesnego eksperymentuProdukcja (reakcja jądrowa) Selekcja Akcelerator pocisków tarcza Obserwacja magnetyczny separator produktów układ detektorów elektronika pomiarowa komputery

17 Laboratorium GSI w Darmstadt

18 Akceleratory ...

19 ... sterownie ...

20 ... separatory magnetyczne ...

21 ... detektory, elektronika i fizycy

22 Badanie 45Fe w GSI Pocisk Tarcza Separator Detektorelektronika komputery p 58Ni v = 0.8 c = km/s beryl 72 m krzem Pomiary : ok. 5 dni, 2.5  1014 pocisków Analiza danych : kilka miesięcy 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

23 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 ?

24 E-mail : [email protected]Eksploracja trwa... liczba protonów, Z obszar niezbadany liczba neutronów, N