Egzotyczne kształty jąder atomowych

Egzotyczne Egzotyczne kształty jąder kształty jąder atomowychatomowych

Adam MajAdam MajIFJ PAN KrakówIFJ PAN Kraków

[email protected] 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?


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?


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.


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,…


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


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


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)


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


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


Jak otrzymuje się Jak otrzymuje się schematy poziomów?schematy poziomów?


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


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


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”


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


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


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


Inne przewidywane egzotyczne kształtyInne przewidywane egzotyczne kształtyKształty tetrahedralne (czworościan foremny – „piramida”)


Główne osie symetrii „piramidy” Przewidywany schemat poziomów dla 110Zr


„Diament” (oktahedron)

Megadeformacja (a:b”4:1”)

Egzotyczne kształty c.d.Egzotyczne kształty c.d.


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


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 ???


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

: [email protected]

http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo/

Kontakt:Kontakt:

Documents

Egzotyczne kształty jąder atomowych