View
63
Download
0
Category
Preview:
DESCRIPTION
Egzotyczne kształty jąder atomowych. Wykład popularno-naukowy Dzień Otwarty IFJ PAN 1 października 2004. Adam Maj IFJ PAN Kraków. Adam.Maj@ifj.edu.p l. http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo/. „Fizyka jądrowa zajmuje się badaniem pewnej określonej postaci materii, - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
Egzotyczne Egzotyczne kształty jąder kształty jąder atomowychatomowych
Adam MajAdam MajIFJ PAN KrakówIFJ PAN Kraków
Adam.Maj@ifj.edu.pl http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo/
Wykład popularno-naukowyDzień Otwarty IFJ PAN
1 października 2004
http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzohttp://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo 22
„Fizyka jądrowa zajmuje się badaniem pewnej określonej postaci materii, a mianowicie materii jądrowej, której podstawowymi elementami są nukleony, a struktura związanych układów tych nukleonów, czyli struktura jąder atomowych, określona jest przez specyficzne oddziaływania jądrowe i oddziaływania elektromagnetyczne.”
A. Strzałkowski, „Wstęp do fizyki jądra atomowego”, PWN 1978, str. 9
Jedną z konsekwencji tych oddziaływań jest kształt jądrakształt jądra
„(…) nie wszystkie jądra są sferyczne, lecz przeważają raczej jądra wykazujące odstępstwa od kształtu sferycznego. (…) wystarczy w przeważającej liczbie przypadków przyjąć kształt osiowo symetryczny, a zatem kształt elipsoidy obrotowej. Większość jąder ma (…) kształt cygara a nie dysku.Odstępstwa od symetrii sferycznej są niewielkie (…) a:b=1.17.”
A. Strzałkowski, „Wstęp do fizyki jądra atomowego”, PWN 1978, str. 293
Czy są jednak jądra posiadające znaczne odstępstwa od symetrii sferycznej – jądra o egzotycznych kształtachjądra o egzotycznych kształtach?
http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzohttp://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo 33
Plan referatuPlan referatu
Uwagi wstępneUwagi wstępne Kształty jąder w Kształty jąder w stanie podstawowymstanie podstawowym Wzbudzanie jąder i metody badania własności Wzbudzanie jąder i metody badania własności stanów stanów
wzbudzonychwzbudzonych Ewolucja kształtów szybko obracających się Ewolucja kształtów szybko obracających się „zimnych” jąder„zimnych” jąder … … oraz „oraz „rozgrzanychrozgrzanych”” Gigantyczny rezonans dipolowyGigantyczny rezonans dipolowy jako sonda kształtów jako sonda kształtów Inne przewidywane Inne przewidywane egzotyczne kształtyegzotyczne kształty PodsumowaniePodsumowanie Co dalej?Co dalej?
http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzohttp://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo 44
Uwagi wstępneUwagi wstępneJądro atomowe, centralna część atomu o rozmiarach rzędu 10-14 ÷ 10-15 m, zbudowana z Z protonów i N neutronów (tj. z A nukleonów).
Wszystkie układy fizyczne jakie znamy, jeśli mają wymiary <d> ≤ 10-10 m, są kwantowe. Oznacza to, że energie takich układów (więc i jądra) są skwantowane – dyskretne zamiast ciągłych.
Panuje w tych układach zasada nieoznaczoności Heisenberga: Δp·Δx > const () Jeśli „zmierzymy” prędkość nukleonów w jądrze, ich pozycja będzie nieznana: nieostry brzeg jądra.
http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzohttp://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo 55
Teoretyczne modele jądrowe (czyli uproszczone struktury teoretyczne) pomagają nam badać pewne określone własności takich małych układów jak jądro atomowe
Model kropli cieczy Nukleony w jądrze zachowują się jak cząsteczki w cieczy, więc własności jądra powinny być podobne do własności kropli cieczy (lepkość, ściśliwość, napięcie powierzchniowe, kształt,…). Silne oddziaływanie jądrowe odpowiada siłom lepkości, a siły elektrostatyczne - napięciu powierzchniowemu w kropli.
Model powłokowyJądro podobnie jak cały atom może pochłaniać i emitować określone kwanty energii. Oznacza to, że każdy nukleon zajmuje określoną powłokę. Wypełnianie poszczególnych powłok (powłoki dla neutronów i protonów są oddzielne) odpowiada kolejnym trwałym izotopom pierwiastków. Na każdej powłoce może być określona liczba nukleonów – jeśli powłoka jest całkowicie zapełniona – jądro jest szczególnie stabilne i ma kształt sferyczny.
Modele kolektywne Rotacje, oscylacja, wzbudzenia wielocząstkowe,…
http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzohttp://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo 66
Kształty jąder w stanie podstawowymKształty jąder w stanie podstawowym
Jądra sferycznesferyczne - gdy Z i N są „magicznymi” liczbami :2, 8, 20, 28, 50, 82, 126.Zamknięte powłoki
Wiele nukleonów dodanych do jądra sferycznego: N i Z pomiędzy kolejnymi liczbami magicznymi. Zasada wykluczania Pauliego.
Niewielka deformacja typu „dyskdysk” (ang.: oblate)
a:b 1 : 1.1
1 lub 2 nukleony dodane do jąder sferycznych
Mała deformacja typu „cygarocygaro” (ang.: prolate)
a:b 1.2 : 1
http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzohttp://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo 77
186PbWspółistnienie kształtówWspółistnienie kształtów: np.186Pb
Kształty jąder bardzo ciężkich: „gruszkagruszka”(deformacja oktupolowa) Np. uran-232 (232U) ma 92 protonyi 140 neutrony.
Cześć sferyczna: A132
Cześć wydłużona: A100
Bardzo ciężkie jądra łatwo się rozszczepiają
http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzohttp://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo 88
Wzbudzanie jąder i metody badania Wzbudzanie jąder i metody badania własności stanów wzbudzonychwłasności stanów wzbudzonych
Zderzenia Zderzenia ciężkich jonówciężkich jonów
b<R
b – parametr zderzenia
Wzbudzeniekulombowskie
b>Rb>R
Reakcja fuzjiM·v·b = L
LL – momement pędu: krętkręt (też skwantowany)
http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzohttp://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo 99
RotacjaRotacja
LLEEE Lrot
Lrot
L )64(2
2 2
– moment bezwładności
0+
2+4+
6+
8+
10+
12+
14+
Schemat poziomów:pasmo rotacyjneIm jądro bardziej zdeformowane
( większe), tym odległości energetyczne pomiedzy kolejnymi poziomami mniejsze
)1(2
2 LLE L
rot
http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzohttp://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo 1010
WibracjaWibracja
B
C
nEwib
)1(
C – wsp. sztywności jądraB - bezwładnośćn – 0,1,2,3,..
0+
2+
4+
6+
0+ 2+
4+0+ 2+
Schemat poziomów:wibrator
a
UT
EEU rot
* U – energia termicznaE* - energia wzbudzeniaT – temperaturaT – temperaturaa – parametr gęstości poziomówWzbudzanie termiczneWzbudzanie termiczne
http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzohttp://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo 1111
Jak otrzymuje się Jak otrzymuje się schematy poziomów?schematy poziomów?
http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzohttp://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo 1212
Wielkie układy detektorów promieniowania Wielkie układy detektorów promieniowania gamma i emitowanych cząstekgamma i emitowanych cząstek
GAMMASPHERE (USA)
Kadr z filmu „The Hulk”
EUROBALL (Włochy, Francja, ???)
Film „Tajemniczy świat jąder atomowych”
Pracownia Struktury Jądra, parter
http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzohttp://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo 1313
Ewolucja kształtów szybko obracających się Ewolucja kształtów szybko obracających się „zimnych” jąder„zimnych” jąder
„Cygaro” (a:b 1.3:1) Superdeformacja (a:b „2:1”)
Długie pasma rotacyjne o dużym
?? Hiperdeformacja (a:b „3:1”)
Jeszcze nie odkryta, Jeszcze nie odkryta, ale są pewne przesłankiale są pewne przesłankisugerujące istnienie sugerujące istnienie
Uwaga: W rzeczywistości dla SD a:b=1.7:1,zaś 2:1 przewiduje się dla HD
http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzohttp://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo 1414
163LuJądra superzdeformowane Jądra superzdeformowane trójosiowotrójosiowo
a:b:c 1.6 : 1.2 : 1
„Kolebanie się” (ang. wobbling)
Pasmo super-zdeformowane #1
Pasmo super-zdeformowane #2
Przejścia pomiędzy pasmami – „kolebanie się”
http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzohttp://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo 1515
Ewolucja kształtów szybko obracających się Ewolucja kształtów szybko obracających się „rozgrzanych” jąder„rozgrzanych” jąder
Sfera „Dysk” (a:b 1:1.2)
C.G.J. Jacobi (1834):Grawitująca, nieściśliwa sfera rotująca synchronicznie
Kształty JacobiegoKształty Jacobiego
Sfera spłaszczający się dysk bardzo wydłużone cygarobardzo wydłużone cygaro
http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzohttp://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo 1616
Gigantyczny rezonans dipolowy (Gigantyczny rezonans dipolowy (GDRGDR))jako sonda kształtówjako sonda kształtów
5 10 15 20 25
= 0
= 0o
Sfera
5 10 15 20 25
= 0.3
= 0o
Cygaro
5 10 15 20 25
= 0.3
= -60o
Dysk
5 10 15 20 25
= 0.4
= -45o
3-osie
0 20 40 60 80 100 120 140
40
20
0
20
40
y t( )
y2 t( )
y2a t( )
t
0 0.5 1 1.5 2 2.5 30
0.2
0.4
0.6
0.8
1
str w( )
w
w00 20 40 60 80 100 120 140
40
20
0
20
40
y t( )
y2 t( )
y2a t( )
t
0 0.5 1 1.5 2 2.5 30
0.2
0.4
0.6
0.8
1
str w( )
w
w0
0 20 40 60 80 100 120 140
40
20
0
20
40
y t( )
y2 t( )
y2a t( )
t
0 0.5 1 1.5 2 2.5 30
0.2
0.4
0.6
0.8
1
str w( )
w
w00 20 40 60 80 100 120 140
40
20
0
20
40
y t( )
y2 t( )
y2a t( )
t
0 0.5 1 1.5 2 2.5 30
0.2
0.4
0.6
0.8
1
str w( )
w
w0
0 20 40 60 80 100 120 140
40
20
0
20
40
y t( )
y2 t( )
y2a t( )
t
0 0.5 1 1.5 2 2.5 30
0.2
0.4
0.6
0.8
1
str w( )
w
w00 20 40 60 80 100 120 140
40
20
0
20
40
y t( )
y2 t( )
y2a t( )
t
0 0.5 1 1.5 2 2.5 30
0.2
0.4
0.6
0.8
1
str w( )
w
w0
0 20 40 60 80 100 120 140
40
20
0
20
40
y t( )
y2 t( )
y2a t( )
t
0 0.5 1 1.5 2 2.5 30
0.2
0.4
0.6
0.8
1
str w( )
w
w00 20 40 60 80 100 120 140
40
20
0
20
40
y t( )
y2 t( )
y2a t( )
t
0 0.5 1 1.5 2 2.5 30
0.2
0.4
0.6
0.8
1
str w( )
w
w0
Drgania tłumioneDrgania tłumione
http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzohttp://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo 1717
0
10
20
30
40
50
60
0.0 0.5 1.0 1.5
010
18
26 2829
3032 34 36 38 40
Przejście kształtu Jacobiego na płaszczyżnie Przejście kształtu Jacobiego na płaszczyżnie --
Stwierdzenie istnieniakształtów Jacobiego w 46Ti
= parametr deformacji =0 dla sfery=0.6 dla a:b=2:1=0.9 dla a:b-3:1
– parametr nieosiowości=0o dla cygara=60o dla dysku=30o dla 3-osi
Kształt widma GDR
http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzohttp://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo 1818
Inne przewidywane egzotyczne kształtyInne przewidywane egzotyczne kształtyKształty tetrahedralne (czworościan foremny – „piramida”)
http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzohttp://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo 1919
Główne osie symetrii „piramidy” Przewidywany schemat poziomów dla 110Zr
http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzohttp://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo 2020
„Diament” (oktahedron)
Megadeformacja (a:b”4:1”)
Egzotyczne kształty c.d.Egzotyczne kształty c.d.
http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzohttp://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo 2121
PodsumowaniePodsumowanie
Jądra atomowe nawet w stanach podstawowych mogą
przybierać egzotyczne kształty, np. kształt „gruszkigruszki”
Jądra atomowe nawet w stanach podstawowych mogą
przybierać egzotyczne kształty, np. kształt „gruszkigruszki”
Szybko obracające się jądra „zimne” mogą być
superzdeformowanesuperzdeformowane (elipsoida obrotowa z a:b=„2:1”
lub elipsoida 3-osiowa z a:b:c=1.6:1.2:1). Próby
poszukiwania hiperdeformacji hiperdeformacji (a:b=„3:1”)
Szybko obracające się jądra „zimne” mogą być
superzdeformowanesuperzdeformowane (elipsoida obrotowa z a:b=„2:1”
lub elipsoida 3-osiowa z a:b:c=1.6:1.2:1). Próby
poszukiwania hiperdeformacji hiperdeformacji (a:b=„3:1”)
Szybko obracające się jądra „gorące” mogą przechodzić ewolucje
sfera → dysk → bardzo wydłużone cygaro → rozszczepienie :
kształty Jacobiego
kształty Jacobiego
Szybko obracające się jądra „gorące” mogą przechodzić ewolucje
sfera → dysk → bardzo wydłużone cygaro → rozszczepienie :
kształty Jacobiego
kształty Jacobiego Teoria przewiduje istnienie jeszcze bardziej egzotycznych kształtów, jak np. „piramidapiramida”, „diamentdiament”, „megadeformacjamegadeformacja”
Teoria przewiduje istnienie jeszcze bardziej egzotycznych kształtów, jak np. „piramidapiramida”, „diamentdiament”, „megadeformacjamegadeformacja”
Eksperymentalne znajdowanie i badanie takich egzotycznych kształtów pozwala na weryfikacje modeli teoretycznychweryfikacje modeli teoretycznych, co pośrednio pozwala nam lepiej poznać oddziaływaniaoddziaływania panujące w mikroświecie
Eksperymentalne znajdowanie i badanie takich egzotycznych kształtów pozwala na weryfikacje modeli teoretycznychweryfikacje modeli teoretycznych, co pośrednio pozwala nam lepiej poznać oddziaływaniaoddziaływania panujące w mikroświecie
http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzohttp://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo 2222
Co dalej?Co dalej?
Rotująca grawitująca ściśliwa elipsoida
Jacobi - Grawitująca, nieściśliwa sfera rotująca synchronicznie:Sfera spłaszczający się dysk bardzo wydłużone cygarobardzo wydłużone cygaro
Sfera spłaszczający się dysk spiralaspirala
Czy tak może też być w jądrze ???Czy tak może też być w jądrze ???
http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzohttp://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo 2323
PodziękowaniaPodziękowaniaAnimacje POV-Ray:Animacje POV-Ray: Rafał Maj (Kraków)
Dyskusje i rysunki:Dyskusje i rysunki: Jerzy Dudek (Strasburg), Bent Herskind (Kopenhaga), Atilla Krasznahorkay (Debrecen), Nicholas Schunck (Surrey), John Simpson (Daresbury)koledzy z Pracowni Struktury Jądra IFJ PAN
oraz http://wwwnsg.nuclear.lu.se/basics/excitations.asp
Fundusze:Fundusze: Grant KBN nr 2 P03B 118 22
: Adam.Maj@ifj.edu.pl
http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo/
Kontakt:Kontakt:
Recommended