Zmiana ksztaltu jadra atomowego Dzien Otwarty IFJ

1. Egzotyczne kształty jąder atomowych Adam Maj IFJ PAN Kraków [email_address] l http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo/ Wykład popularno-naukowy Dzień Otwarty IFJ PAN 1 października 2004

2. „ 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 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 kształtach ?

4. Uwagi wstępne Jądro 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: Δ p · Δ x > const (  ) Jeśli „zmierzymy” prędkość nukleonów w jądrze, ich pozycja będzie nieznana: nieostry brzeg jądra.

6. Kształty jąder w stanie podstawowym Jądra sferyczne - 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 „ dysk ” (ang.: oblate ) a:b  1 : 1.1 1 lub 2 nukleony dodane do jąder sferycznych Mała deformacja typu „ cygaro ” (ang.: prolate ) a:b  1.2 : 1

7. Współistnienie kształtów : np. 186 Pb Kształty jąder bardzo ciężkich: „ gruszka ” (deformacja oktupolowa ) Np. u ran -232 ( 232 U) ma 92 proton y i 140 neutron y. Bardzo ciężkie jądra łatwo się rozszczepiają 186 Pb Cześć sferyczna: A  132 Cześć wydłużona: A  100

8. Wzbudzanie jąder i metody badania własności stanów wzbudzonych Zderzenia ciężkich jonów b – parametr zderzenia Wzbudzenie kulombowskie Reakcja fuzji M · v · b = L L – momement pędu: kręt (też skwantowany) b<R b>R b>R

9. Rotacja  – moment bezwładności Im jądro bardziej zdeformowane (  większe), tym odległości energetyczne pomiedzy kolejnymi poziomami mniejsze 0 + 2 + 4 + 6 + 8 + 10 + 12 + 14 + Schemat poziomów: pasmo rotacyjne

10. Wibracja Wzbudzanie termiczne C – wsp. sztywności jądra B - bezwładność n – 0,1,2,3,.. 0 + 2 + 4 + 6 + 0 + 2 + 4 + 0 + 2 + Schemat poziomów: wibrator U – energia termiczna E * - energia wzbudzenia T – temperatura a – parametr gęstości poziomów

11. Jak otrzymuje się schematy poziomów?

12. Wielkie układy detektorów promieniowania gamma i emitowanych cząstek GAMMASPHERE (USA) EUROBALL (Włochy, Francja, ???) Film „ Tajemniczy świat jąder atomowych” Pracownia Struktury Jądra, parter Kadr z filmu „The Hulk”

13. Ewolucja kształtów szybko obracających się „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, ale są pewne przesłanki sugerujące istnienie Uwaga: W rzeczywistości dla SD a:b=1.7:1 , zaś 2:1 przewiduje się dla HD

14. Jądra superzdeformowane trójosiowo a:b:c  1.6 : 1.2 : 1 „ Kolebanie się” (ang. wobbling ) 163 Lu Pasmo super-zdeformowane #1 Pasmo super-zdeformowane #2 Przejścia pomiędzy pasmami – „ kolebanie się ”

15. Ewolucja kształtów szybko obracających się „rozgrzanych” jąder Sfera „ Dysk” (a:b  1:1.2) C.G.J. Jacobi (1834): Grawitująca, nieściśliwa sfera rotująca synchronicznie Kształty Jacobiego Sfera  spłaszczający się dysk  bardzo wydłużone cygaro

16. Gigantyczny rezonans dipolowy ( GDR ) jako sonda kształtów Drgania tłumione Sfera Cygaro Dysk 3-osie

17. Przejście kształtu Jacobiego na płaszczyżnie  -  Stwierdzenie istnienia kształtów Jacobiego w 46 Ti  = parametr deformacji  =0 dla sfery  =0.6 dla a:b=2:1  =0.9 dla a:b-3:1  – parametr nieosiowości  =0 o dla cygara  =60 o dla dysku  =30 o dla 3-osi Kształt widma GDR

18. Inne przewidywane egzotyczne kształty Kształty tetrahedralne (czworościan foremny – „ piramida ”)

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

20. „ Diament” (oktahedron) Megadeformacja (a:b  ”4:1”) Egzotyczne kształty c.d.

21. Podsumowanie Jądra atomowe nawet w stanach podstawowych mogą przybierać egzotyczne kształty, np. kształt „ gruszki ” Szybko obracające się jądra „zimne” mogą być superzdeformowane (elipsoida obrotowa z a:b=„2:1” lub elipsoida 3-osiowa z a:b:c=1.6:1.2:1). Próby poszukiwania hiperdeformacji (a:b=„3:1”) Szybko obracające się jądra „gorące” mogą przechodzić ewolucje sfera -> dysk -> bardzo wydłużone cygaro -> rozszczepienie : kształty Jacobiego Teoria przewiduje istnienie jeszcze bardziej egzotycznych kształtów, jak np. „ piramida ”, „ diament ”, „ megadeformacja ” Eksperymentalne znajdowanie i badanie takich egzotycznych kształtów pozwala na weryfikacje modeli teoretycznych , co pośrednio pozwala nam lepiej poznać oddziaływania panujące w mikroświecie

22. Co dalej? Rotująca grawitująca ściśliwa elipsoida Jacobi - Grawitująca, nieściśliwa sfera rotująca synchronicznie: Sfera  spłaszczający się dysk  bardzo wydłużone cygaro Sfera  spłaszczający się dysk  spirala Czy tak może też być w jądrze ???

23. Podziękowania Animacje POV-Ray: Rafał Maj (Kraków) 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: Grant KBN nr 2 P03B 118 22 : [email_address] http://chall.ifj.edu.pl/~maj/egzo/ Kontakt: