Egzotyczne nuklidy a historia kosmosu

Egzotyczne nuklidy
a historia kosmosu
Marek Pfützner
Instytut Fizyki Doświadczalnej UW
Ogólnopolskie Seminarium Nauczycieli Fizyki, 16 marca 2005
Instytut Radowy w Paryżu
11 rue Pierre-et-Marie-Curie
Ok. 1 cząstka a/sek.
T1/2(Ra) = 1600 lat
  1011 atomów Ra !
Nuklidy
 Nuklid (atom, zazwyczaj obojętny elektrycznie) :
Z protonów + N neutronów + Z elektronów
 Nuklid pozbawiony części (lub wszystkich) elektronów  jon
 Liczba Z decyduje o własnościach chemicznych
 pierwiastki chemiczne
 Różne liczby N  izotopy
liczba protonów, Z
Mapa nuklidów
izotopy węgla:
12C, 13C
5
hel
1
wodór
1
5
liczba neutronów, N
9
Nuklidy trwałe
liczba protonów, Z
?
287 nuklidów, w tym
83 pierwiastki od wodoru (Z=1)
do uranu (Z=92)
liczba neutronów, N
Nuklidy promieniotwórcze
238U
4.5 mld lat
uran
protaktyn
226Ra
tor
1600 lat
rad
radon
przemiana a
polon
przemiana b
np
bizmut
ołów
125
130
135
liczba neutronów N
140
145
Wszystkie nuklidy
Przemiana b+
liczba protonów, Z
Emisja p
Emisja a
Z = 82
p  n + e+ + n e
Emisja 2p
ZX
 Z-1Y + p
N = 126
Przemiana b-
Z XN
 Z-2YN-2 + a
Z = 50
N = 82
ZX
np+
 Z-2Y + 2p
Z = 28
N = 50
Z = 20
Z=8
„Terra incognita”
czeka na odkrycie
i zbadanie
N=2 N=8
+ n¯e
- trwałe
- rozszczepienie
-a
- b- b+
N = 28
-p
N = 20
Z=2
e-
liczba neutronów, N
Nuklidy egzotyczne
W warunkach ziemskich niezwykle trudne do wytworzenia
i bardzo nietrwałe.
Przykłady :
 Izotopy o wielkim niedoborze lub nadmiarze neutronów,
czyli nuklidy bardzo dalekie od ścieżki trwałości.
 Jony o wielkim ładunku elektrycznym, np. jądra ciężkich
pierwiastków całkowicie odarte z elektronów atomowych.
Od niedawna wytwarzane i badane w laboratoriach dzięki
nowym technikom :
 przyspieszania ciężkich jonów do energii relatywistycznych,
 separacji produktów reakcji jądrowych,
 utrzymywania jonów w pierścieniu kumulacyjnym.
Dwa zagadnienia
Na dwóch przykładach zilustrujemy związek między własnościami
nuklidów egzotycznych a poznawaniem historii kosmosu.
1. Pełne zrozumienie procesów nukleosyntezy wymaga zbadania
nuklidów bardzo dalekich od ścieżki trwałości.
2. Niezwykła przemiana beta, która może zachodzić tylko wtedy,
gdy atom pozbawiony jest wszystkich elektronów, co zaburza
bieg kosmicznego zegara.
Energia wiązania na nukleon [MeV]
Nukleosynteza w gwiazdach
56Fe
Reakcje fuzji termojądrowej zachodzące
w gwiazdach prowadzą do wytworzenia
pierwiastków tylko do żelaza.
Liczba masowa
Rozpowszechnienie nuklidów
Procesy s i r
Około połowa ilości nuklidów cięższych
od żelaza powstała w procesie r
Liczba protonów
Procesy nukleosyntezy
proces s
proces rp
proces r
Proces r zachodzi poza
granicą znanych nuklidów !
fuzja termojądrowa w gwiazdach
Liczba neutronów
Symulacja procesu r
Wkład procesu r
Nuklidy wytworzone w procesie r
własności
zmienione
Obserwacje
Dwa modele struktury
jąder atomowych
własności takie jak
jąder stabilnych
Przewidywania mas nuklidów
Izotopy cezu
Różnice (MeV/c2)
Z = 55
Masy zmierzone
Pomiary mas w pierścieniu ESR
W latach 1997 – 2002
zmierzono ok. 370 mas
nuklidów egoztycznych
– technika Schottky’ego
– tryb izochroniczny
– masy nieznane, T > 1 s
– masy nieznane, T < 1 s
Dwa zagadnienia
Na dwóch przykładach zilustrujemy związek między własnościami
nuklidów egzotycznych a poznawaniem historii kosmosu.
1. Pełne zrozumienie procesów nukleosyntezy wymaga zbadania
nuklidów bardzo dalekich od ścieżki trwałości.
2. Niezwykła przemiana beta, która może zachodzić tylko wtedy,
gdy atom pozbawiony jest wszystkich elektronów, co zaburza
bieg kosmicznego zegara.
Zwykła przemiana beta
e
Przemiana b-
n  p + e- + ¯
ne
Energia nuklidu
ne
A
Z
X N0
Q
A 1
Z 1 N 1
Y
 me
 Wydzielona energia Q jest unoszona przez elektron i antyneutrino,
które uciekają z nuklidu końcowego.
 Przemiana może zachodzić do różnych stanów jądra końcowego.
Przypadek 187Re
Energia nuklidu
3 2
9.75 keV
Półokres rozpadu
obojętnego 187Re :
T1/2 = 42.3·109 lat
5 2
187
75
Q  2.7 keV
0
Re112
1 2
187
76
0

Os1111
 me
Możliwa przemiana
tylko do stanu podstawowego 187Os
Przemiana zjonizowanego 187Re
Energia [keV]
450
0
52
3 2
1 2

187
75
0
Re112
2.7 keV
187
76
9.75 keV
0

Os1111
 me
Przemiana zjonizowanego 187Re
3 2
1 2
5 2
450
75
Re112
 75 me
0
76
Os111
 76 me
 Zwykła przemiana b
nie jest teraz możliwa !
Btot(Os)
Energia [keV]
Btot(Re)
187
75
187
76
52
3 2
1 2

187
75
0
Re112
 Zabieramy wszystkie
elektrony orbitalne.
2.7 keV
187
76
9.75 keV
0

Os1111
 me
Przemiana zjonizowanego 187Re
3 2
1 2
450
187
75
187
76
75
Re112
 75 me
76
Os111
 76 me
BK(Os)
5 2
Energia [keV]
Btot(Re)
63 keV
3 2
1 2
187
76
75
Os111
 75 me
 Zabieramy wszystkie
elektrony orbitalne.
 Zwykła przemiana b
nie jest teraz możliwa !
 Ale emitowany elektron może zatrzymać
się na pustym orbitalu
atomowym !
e
0
52
3 2
1 2

187
75
0
Re112
2.7 keV
187
76
9.75 keV
0
1
111
Os
 me
ne
Przemiana beta do
stanu związanego
Laboratorium GSI Darmstadt
Źródło jonów
Hala
eksperymentów
ESR
FRS
Jony o energii
do 1 GeV/nukleon
( 90 % c)
SIS
Jony o energii
3 – 20 MeV/nukleon
(8 – 20 % c)
0
50 m
Pierścień kumulacyjny ESR
 Zakrzywiające pole magnetyczne
 Obwód 108 m
 Wysoka próżnia (10-9 Pa)
 Czas przechowywania jonów do
kilku godzin
Fragment pierścienia ESR
1
0
10000
20000
62+
143
30000
40000
50000
60000
Częstość [Hz]
70000
64+
80000
65+
Tb
165
72+
Ta
149
75+
Re
72+
68+
Er
Hf
165
156
Gd
172
73+
145g
Tm68+
71+
Lu
Ta
E = 750(50)
keV
masa znana
156
163
74+
168
(1 jon)
147
W
70+
170
Yb
69+
63+
Dy
Tb 64+
147
Gd64+ 163 71+
Hf
147
67+
161
70+
Er
154
67+
Ho
154
Nd 60+
Lu
Tm
72+
Gd
138
161
73+
76+
159
Hf
145m
I
W
66+
Os
168
Ho
175
69+
166
7
122 53+
Dy
152
66+
Yb
72+
75+
74
q
m
Gd63+
145
152
59+
Ta
Re
6
136
166
173
Hf 71+
W
f
Pr
Eu
Sm62+
Pt 78+
Lu
164
171
8Częstość obiegu:
143m,g
68+
Er
157
159
180
Dy
65+
Tb
150m,g
65+
150
55+
2
Cs
127
Metoda szumów
Schotky’ego
68+
4
71+
5
Tm
157
3
164
Intensywność
Rejestracja cząstek w pierścieniu
masa nieznana
63+
(1 jon)
90000 100000
Pomiar 187Re w pierścieniu ESR
350 MeV/u
1. Wstrzyknięcie wiązki 187Re75+ (108 jonów).
2. Chłodzenie elektronami (ok. 30 s).
3. Jony krążą przez zadany czas ( 0 – 5 h ) i
ulegają przemianie : tworzy się 187Os75+.
4. Wstawienie tarczy gazowej (strumień argonu),
zdarcie elektronu z 187Os75+  187Os76+.
5. Rejestracja cząstek w pierścieniu :
detekcja jonów 187Os76+ .
Wynik eksperymentu
Liczba jonów 187Os76+ w funkcji czasu
 Wniosek :
Półokres rozpadu całkowicie
zjonizowanego 187Re :
T1/2= 32.9 ± 2.0 lat
Półokres rozpadu
obojętnego 187Re :
T1/2 = 42.3·109 lat
Jeśli 187Re pozbawimy elektronów, to rozpada się miliard (109) razy szybciej !
Kosmiczny zegar
187Re
 Długożyciowe nuklidy, jak 187Re, pomagają wyznaczyć
wiek naszej Galaktyki.
 W trakcie swej historii 187Re mógł znajdować się w
warunkach b. wysokiej temperatury (wnętrza gwiazd),
gdzie był zjonizowany. Zegar oparty na tym nuklidzie
przyspiesza wtedy do 109 razy.
187Os
 Efektywne tempo zaniku 187Re zależy od :
– T1/2 w stanie obojętnym i zjonizowanym (fizyka jądrowa),
– chemicznej ewolucji Galaktyki (astrofizyka).
 Obecny stan wiedzy :
Teff1/2 (187Re)  25 Gy  wiek Galaktyki : TG > 12 Gy
Podsumowanie
 Dzięki nowoczesnym metodom fizyki jądrowej możemy wytwarzać
i badać z wielką czułością (pojedyncze atomy !), m.in.:
– nuklidy bardzo dalekie od trwałości,
– wysoko zjonizowane atomy ciężkich pierwiastków.
 Własności takich egzotycznych nuklidów są potrzebne m.in. do:
– zrozumienia procesów nukleosyntezy,
– „regulacji” kosmicznych zegarów.
 Jako ilustrację związku fizyki jądrowej z astrofizyką omówiłem :
– trudności z opisem procesu r,
– rozpad beta 187Re do stanu związanego.
 Przykłady innych osiągnięć :
– identyfikacja > 100 nowych izotopów,
– pomiar mas kilkuset nuklidów dalekich od trwałości,
– odkrycie promieniotwórczości dwuprotonowej.
 Badania egzotycznych nuklidów mają świetne perspektywy.
Planowana rozbudowa GSI
Projekt zatwierdzony do realizacji  http://www.gsi.de
Planowane intensywności wiązek
radioaktywnych