fyzikálny ústav sav, braoslava

Mar$n Venhart (FÚ SAV): Experiment CERN-‐ISOLDE: Aký tvar majú atómové jadrá

Vedecká cukráreň, BraGslava, 24. 11. 2015

Experiment CERN-‐ISOLDE: Aký tvar majú atómové jadrá (60 rokov CERN)

Mar$n Venhart Fyzikálny ústav SAV, Bra$slava

Systém prírodných vied

MatemaGka Fyzika Chémia Biológia



Symbióza vedy a priemyslu

•  Základný výskum podnecuje rozvoj techniky a následne priemyslu

•  Rozvoj techniky umožňuje ďalší pokrok v základnom výskume

Základný výskum je (vysoko) stratový čo sa týka priameho zisku Avšak poziVvny dopad na spoločnosť je enormný



World Wide Web

1989 – 1990 v CERNe Prvý web v strednej Európe: Katedra jadrovej fyziky MFF (dnes FMFI) UK



RTG žiarenie

Vákuum

RTG žiarenie

W terč Elektróny

Vlákno

Wilhelm Conrad Roentgen (1845 – 1923)



Objav pasterizácie

Louis Pasteur (1822– 1895)

Kryštály kyseliny vínnej: stereochémia (rozloženie atómov v molekulách organických zlúčenín) Otázka: ako vlastne kyselina vínna vzniká (čo je to je kvasenie)



Objav pasterizácie


Kryštály kyseliny vínnej: stereochémia (rozloženie atómov v molekulách organických zlúčenín) Otázka: ako vlastne kyselina vínna vzniká (čo je to je kvasenie) OBJAV PASTERIZÁCIE a VZNIK MIKROBIOLÓGIE



Teória rela$vity a GPS

Albe

rt Einstein (1879– 1955)

Dilatácia (spomalenie) času: Špeciálna teória rela$vity:

dôsledok pohybu Všeobecná teória rela$vity:

dôsledok gravitačného poľa

GPS: synchronizácia hodín v prístroji a na družiciach Potrebná presnosť: nanosekundy (atómové hodiny)

Družice sú v pohybe vzhľadom na prístroj (ŠTR korekcia) Družice sú v gravitačnom poli (VTR korekcia)

Bez korekcií: za 1 deň prevádzky neurčitosť 11 km!



Terapia nádorov iónmi uhlíka

Zdroj iónov uhlíka

Zdroj protónov

Monitorovací systém

Synchrotrón

Lineárny urýchľovač

Vychyľovacie magnety

GSI Darmstadt, Nemecko: miesto objavu chemických prvkov 107 -‐ 112



Experiment so zlatou fóliou: objav atómového jadra Väčšina alfa časrc preler Atóm je zväčša prázdny priestor

Niektoré časGce sa rozptýlia pod malým uhlom Jadro je pozirvne elektricky nabité

Niektoré časGce sa rozptýlia spätne Jadro nesie takmer všetku hmotnosť atómu

Detektor

Zdroj alfa časrc

Zväzok časrc

Zlatá fólia

Alfa čas$ca: viazané 2 protóny a 2 neutróny

Erne

st Ruthe

rford (1871-‐1937)



Rozmery

Atóm: 0,1 – 0,5 ns = 10-‐10 – 5.10-‐10 m Jadro: 1,8 – 15 fm = 1,8.10-‐15 – 15.10-‐15 m

Otázka: Keby bol atóm veľký ako futbalový štadión, aké veľké bude jadro?



Rozmery

Atóm: 0,1 – 0,5 ns = 10-‐10 – 5.10-‐10 m Jadro: 1,8 – 15 fm = 1,8.10-‐15 – 15.10-‐15 m

Odpoveď: Ako zrnko piesku!



Periodická sústava chemických prvkov



Chemické prvky a ich izotopy

U 235 U 238

92 protónov 143 neutrónov 235 nukleónov

92 protónov 146 neutrónov 238 nukleónov

Chémiu určuje počet protónov

Počet neutrónov

Počet p

rotóno

v Známych okolo 3500 izotopov Z nich len okolo 300 sa vyskytuje v prírode Niektoré prvky môžu byť zmesou izotopov (cín: 10 izotopov)



Štruktúra atómového jadra •  Kladne nabité protóny •  Neutrálne neutróny •  Prečo eletkrické odpudzovanie jadro neroztrhne?

Existencia príťažlivých jadrových síl

Atómový obal: analógia s planetárnym systémom Jadro: nemá v strede nijaké “Slnko”

Prečo potrebujeme rozumieť jadrovej štruktúre: 1.  Presnejšia charakterizácia jadrového paliva 2.  Potencionálne nové zdroje energie 3.  Neznáme javy, dôležité pre technickú prax



Magické čísla

Jadrá s 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 nukleónmi majú zvýšenú stabilitu Analógia: vzácne plyny v chémii (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) M. Goeppert-‐Mayer: nukleóny tancujú viedenský valčík 4 typy pohybu: normálna a reverzná otáčka, v smere a proG smeru tanca

M. G

oepp

ert-‐Mayer

J. H. D. Jen

sen



RádioakVvna premena (rozpad)

Samovoľná premena atómových jadier na iné

Rn è Po + α

222 218

Bi è Po + e

210 210

M. Curie P. Curie H. Becquerel



Kvantová mechanika: základný a vzbudené stavy Jadrá majú základný a vzbudené stavy Doby života vzbudených stavov: od fs až po 1021 rokov Jednotka energie: eV (elektrónvolt), 1 eV = 1,602.10-‐19 J Prechody v atómových jadrách:

1. Emisia gama kvánt (fotónov)

2. Emisia elektrónov z obalu

3. Procesy vyšších rádov



Tvar atómového jadra (jadrová deformácia)



Vznik uhlíka vo vesmíre – prípad tvarovej koexistencie



12C 0

7.656

12C je v základnom stave sférický, má vzbudený stav na 7,656 MeV, ktorý je deformovaný Len vďaka existencii vzbudeného stavu je možná syntéza 12C vo vesmíre (a ťažších prvkov) Tvarová koexistencia: existencia stavov s rôznou deformáciou v tom istom izotope

Lineárny urýchľovač časVc



Kruhový urýchľovač časVc



Urýchľovačová infraštruktúra v CERNe




E = 50 MeV v = 30 % c




E = 1,4 GeV v = 91% c




E = 25 GeV v = 99,9% c




E = 450 GeV v = 99,9% c




60 % protónov



Produkcia rádioakVvnych zväzkov CERN-‐ISOLDE



Aplikácie rádioakVvnych zväzkov na ISOLDE

40 % jadrová fyzika

22 % atómová fyzika

21 % fyzika tuhých látok

11 % jadrová astrofyzika 6 % biológia a medicína



Slovenské experimenty na CERN-‐ISOLDE

IS521: Simultaneous spectroscopy of γ rays and conversion electrons : Systematic study of E0 transitions and intruder states in close vicinity of mid-shell point in odd-Au isotopes M. Venhart et al., schválený Vedeckou radou CERNu v roku 2010, realizácia august 2014 4 dni zväzku IS581: Transfer induced fission of heavy radioac$ve beams M. Veselský et al., schválený Vedeckou radou CERNu v roku 2013, realizácia 2015 10 dní zväzku Vyžaduje upgrade zariadenia pre vyššie energie zväzku (prebieha v CERNe: HIE-ISOLDE)



Experiment IS521: Štúdium tvarov atómového jadra

•  Štúdium deformácie: najlepšie in statu nascendi, t.j. v stave zrodu

•  Žiarenie emitované v tomto momente je nositeľom informácie o tvare jadra

•  Jeden z najlepších systémov: neutrónovo chudobné izotopy zlata

•  Vznikajú napr. beta rozpadom izotopov ortuG (ISOLDE je skvelý zdroj)

Beta rozpad



Aparatúra pre experiment IS521

Pb tienenie

Detektor 2

Detektor 3

Krokový motor

HPGe

HPG

e H

PGe

Kotúč s nekonečnou páskou

Zväzok iónov 179,181, 183,185 Hg

Študent FEI STU spoluzodpovedný za vývoj



Ako sa to reálne robí?

•  Je potrebné vyvinúť systém, ktorý bude manipulovať s vysokorádioakrvnymi (a nebezpečnými vzorkami) bez zásahu človeka

•  Systém musí pracovať vo vákuu

•  Systém musí pracovať absolútne spoľahlivo

•  8-‐track páska – idea: Ed Zganjar (LSU, Luisiana)



Spektrometer TATRA



Kovová páska



Tím experimentu IS521






Náhoda praje len tomu, kto je na ňu pripravený.

fyzikálny ústav sav, braoslava

Documents