• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Polski unikatowy detektor pozwolił odkryć rzadkie rozpady jąder niklu

    08.06.2011. 00:47
    opublikowane przez: Redakcja Naukowy.pl

    Rzadki izotop niklu-48 rozpada się, emitując dwa protony - odkryli fizycy z Uniwersytetu Warszawskiego. Obserwacje umożliwił nowatorski detektor, zbudowany w Warszawie - poinformował Wydział Fizyki UW. Rozpad dwuprotonowy - nowy rodzaj promieniotwórczości, użyteczny w badaniach budowy jąder atomów, odkrył trzy lata temu także zespół z UW. Zaobserwowali oni wtedy, że takiemu niezwykłemu rozpadowi ulega żelazo-45.

    "Możliwość badania tak rzadkich rozpadów, które ujawniają bogate informacje o budowie wewnętrznej jąder ma bardzo duże znaczenie poznawcze. Może pozwolić na zweryfikowanie hipotez i modeli opisujących ten nadal bardzo trudny do poznania obszar materii, z której zbudowany jest otaczający nas świat i my sami" - podkreśla główny koordynator badań prof. Marek Pfuetzner z Zakładu Spektroskopii Jądrowej Instytutu Fizyki Doświadczalnej Wydziału Fizyki UW.

    "Jednoczesna emisja dwóch protonów jest zjawiskiem bardzo rzadkim - dotychczas zaobserwowano ją tylko w przypadku trzech innych (oprócz niklu-48 - PAP) jąder atomowych: magnezu-19, cynku-54 i żelaza-45" - dodaje współautor eksperymentu dr hab. Zenon Janas.

    Izotopy to odmiany pierwiastków chemicznych, które łączy ta sama liczba protonów w jądrze, a różni liczba neutronów. Obydwie wartości zsumowane stanowią liczbę masową. Nikiel ma 28 protonów w jądrze i tworzy co najmniej 30 różnych izotopów, w tym pięć stabilnych, np. nikiel-58. Odmiany niklu o najbardziej zaburzonej równowadze między ilością protonów i neutronów są niestabilne i szybko się rozpadają przechodząc w jądra innych pierwiastków. Z tego powodu ciężko je otrzymać, a jeszcze trudniej badać.

    Uczeni z UW podjęli badania niklu-48, będącego bardzo szczególnym izotopem. W jego jądrze jest 28 protonów i tylko 20 neutronów. To jądro o największym niedoborze neutronów, jakie kiedykolwiek badano. Taki izotop "żyje" zaledwie 2 tysięczne sekundy, po czym się rozpada. Badania polskich naukowców z FUW ujawniły, że najczęstszym sposobem takiego rozpadu dla niklu-48 jest emisja dwóch protonów. Artykuł na ten temat ukaże się niebawem w czasopiśmie "Physical Review C".

    Uwolnione z jądra protony niosą informację o jego budowie wewnętrznej. Aby ją poznać, bada się zachowanie wyemitowanych przez nią cząstek. Do tego potrzebne jest odpowiednie urządzenie. "Używane wcześniej detektory rejestrowały sygnały elektroniczne, w których cała informacja o wzajemnej korelacji dwóch protonów była tracona" - wyjaśnia prof. Pfuetzner. Fizycy z UW skonstruowali więc własny detektor. Jest to skrzynka wypełniona gazem (mieszanką helu, argonu i azotu), do której wstrzeliwane są jony (czyli pozbawione elektronów jądra) badanych pierwiastków. Przemieszczające się we wnętrzu skrzynki naładowane elektrycznie cząstki powodują świecenie gazu, pozostawiając w nim wyraźne ślady. Odpowiednio szybka kamera jest w stanie zrobić zdjęcie tych śladów, dzięki czemu widać jakim torem rozbiegły się cząstki, wyemitowane w trakcie rozpadu.

    Nowatorski detektor zbudowano w Warszawie według projektu prof. Wojciecha Dominika z Zakładu Cząstek i Oddziaływań Fundamentalnych IFD FUW. Eksperyment z użyciem polskiego detektora został przeprowadzony w Stanach Zjednoczonych w National Superconducting Cyclotron Laboratory w stanie Michigan przy współpracy University of Tennessee oraz Oak Ridge National Laboratory, gdzie możliwe było wytworzenie atomów niklu-48.

    Proces produkcji niestabilnego niklu przebiega w kilku etapach. Atomy stabilnego izotopu niklu-58 są rozpędzane w cyklotronie, a następnie kierowane na obracająca się niklową tarczę zawierającą naturalną mieszankę stabilnych izotopów tego pierwiastka. W wyniku zderzeń zachodzą reakcje jądrowe i powstaje wiązka różnych izotopów rozmaitych pierwiastków. Wpada ona do separatora magnetycznego, który dokonuje selekcji ze względu na liczbę masową. Wyselekcjonowana w ten sposób wiązka wpada do detektora wypełnionego mieszanką gazów. Tam, na skutek hamowania w ośrodku gazowym, wytracana jest energia i atomy się zatrzymują. Wtedy następuje rozpad promieniotwórczy ich jąder. Całe zdarzenie jest rejestrowane przez kamerę. Prawdopodobieństwo powstania jądra niklu-48 jest bardzo małe. Dlatego podczas 156 godzin pomiarów, kiedy na niklową tarczę padło ok. 10 do potęgi 17 (jedynka z siedemnastoma zerami) pocisków, zaobserwowano zaledwie sześć atomów tego rzadkiego izotopu. Jądra czterech z nich rozpadły się przez emisję dwóch protonów, pozostałe uległy innej przemianie.

    "Badania fizyki jąder atomowych mają wieloletnią tradycję na Uniwersytecie Warszawskim - pierwsze prace z tej dziedziny powstawały już w latach trzydziestych ubiegłego wieku" - mówi dziekan FUW, prof. dr hab. Teresa Rząca-Urban, która także zajmuje się fizyką jądrową. Przed wojną fizykę jądrowa tworzyli na UW tacy uczeni jak Leonard Sosnowski i Andrzej Sołtan, który już w 1934 roku uruchomił pierwszy polski akcelerator. Po wojnie Jerzy Pniewski i Marian Danysz wsławili się odkryciem hiperjąder - jąder atomowych, w których skład wchodzą nietrwałe cząstki materii odmiennej niż występująca powszechnie w naszym otoczeniu. Obecnie warszawscy fizycy jądrowi uczestniczą w budowie wielkich międzynarodowych eksperymentów, a przykład sukcesów grupy prof. Pfuetznera pokazuje, że potrafią również proponować i realizować swoje autorskie ciekawe projekty i tworzyć potrzebną do ich realizacji aparaturę. Uniwersytet Warszawski dysponuje także własnym dużym urządzeniem badawczym - cyklotronem ciężkich jonów wykorzystywanym do badań fizyki jądrowej i atomowej, a także na potrzeby medycyny.

    Fizycy jądrowi nie ograniczają się jedynie do badań podstawowych, ale starają się wychodzić naprzeciw bieżącym potrzebom gospodarki. Już od października Uniwersytet Warszawski wspólnymi siłami wydziałów Fizyki i Chemii uruchamia nowy makrokierunek studiów "Energetyka i Chemia Jądrowa". Uruchomienie nowego kierunku, skupionego na energetyce jądrowej wiąże się z przewidywaną budową pierwszej elektrowni atomowej w Polsce i potrzebą wykształcenia odpowiedniej liczby specjalistów przygotowanych merytorycznie do radzenia sobie z rozmaitymi aspektami jej funkcjonowania. Program studiów skupia się m.in. na kwestiach związanych z wytwarzaniem, składowaniem i utylizacją paliwa reaktorowego. "Studenci zyskają też wiedzę na temat zjawisk fizycznych, procesów chemicznych oraz aspektów prawno-administracyjnych związanych z funkcjonowaniem elektrowni jądrowej" - wyjaśnia koordynator nowego makrokierunku, dr Przemysław Olbratowski.

    * Dr Chiara Mazzocchi (adiunkt w ZSJ IFD FUW) przy montażu detektora gazowego, który obserwował rozpady niklu. Z tyłu po prawej widać jonowód, w którym poruszały się wyselekcjonowane jony zanim trafiły do detektora. Źródło: Marek Pfützner, FUW

    ** Akt emisji dwuprotonowej przez atom izotopu niklu-48. Widać długi tor atomu niklu, który wpadł do detektora od dołu i zatrzymał się w jego wnętrzu. Dwa krótkie tory przedstawiają protony wyrzucone przez po czasie
    dwóch tysięcznych sekundy od zatrzymania. Źródło: FUW


    PAP - Nauka w Polsce, Urszula Rybicka 

    tot/bsz



    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Rozpad dwuprotonowy – przemiana jądra atomowego, podczas której emitowane są jednocześnie dwa protony ze stanu podstawowego. Jest to bardzo rzadki proces jądrowy, zachodzący dla nielicznych jąder protono-nadmiarowych (zawierających więcej protonów niż neutronów). Konkurencją dla tego rozpadu jest przemiana beta plus. Należy go wyraźnie odróżnić od dwóch kolejno zachodzących emisji protonów; jest on możliwy do zaobserwowania tylko wtedy, gdy pojedynczy rozpad protonowy jest wzbroniony z powodów energetycznych. Izotopy – odmiany pierwiastka chemicznego różniące się liczbą neutronów w jądrze atomu (z definicji atomy tego samego pierwiastka mają tę samą liczbę protonów w jądrze). Izotopy tego samego pierwiastka różnią się liczbą masową (łączną liczbą neutronów i protonów w jądrze), ale mają tę samą liczbę atomową (liczbę protonów w jądrze). Tabela nuklidów przedstawia graficznie wszystkie znane nuklidy (jądra atomowe). W fizyce jądrowej ma tym samym podobne znaczenie jak układ okresowy pierwiastków w chemii. Nuklidy różnicuje się poprzez liczbę wchodzących w ich skład protonów i neutronów - co pozwala je usystematyzować w dwuwymiarowej tabeli. Przy czym przeważnie liczba protonów przedstawiana jest pionowo a liczba neutronów poziomo. W ten sposób:

    Jądra zwierciadlane - para jąder atomowych o jednakowej liczbie masowej, takich że liczba protonów (Z) jednego z jąder jest równa liczbie neutronów (A-Z) w drugim jądrze. Jądra takie wykazują bardzo podobną strukturę poziomów energetycznych, co wynika z dominującej roli w jądrze oddziaływań silnych, które tylko w bardzo niewielkim stopniu rozróżniają neutrony od protonów. Nitinol – stop metaliczny niklu z tytanem, gdzie przybliżony procent atomowy dwóch pierwiastków jest taki sam. Należy do grupy materiałów inteligentnych wykazujących efekt pamięci kształtu. Praktyczne zastosowanie znalazł przy zawartości 53-57% masowego niklu.

    Źródło neutronów jest ogólnym terminem odnoszącym się do różnego rodzaju urządzeń emitujących neutrony niezależnie od użytego mechanizmu emitowania neutronów. W zależności od wielu parametrów włączając w to energię neutronów emitowanych przez źródło neutronów, ich ilości, wielkości źródła, kosztu wyprodukowania i utrzymania źródła oraz regulacji prawnych związanych ze źródłem, urządzenia te znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach fizyki, inżynierii, medycyny, broni jądrowej, eksploracji ropy, biologii, chemii, energii jądrowej i innych gałęziach przemysłu. Detektory promieniowania jonizującego - urządzenia do rejestracji promieniowania jonizującego przez przetworzenie pierwotnych skutków oddziaływań promieniowania z materią na sygnały obserwowalne; są stosowane w fizyce wysokich energii i fizyce jądrowej, astrofizyce oraz w diagnostyce medycznej, biologii, energetyce jądrowej, badaniach materiałowych i innych; proste stanowią zasadniczą część dawkomierzy. Do detekcji wykorzystuje się głównie zdolność cząstek do jonizacji atomów ośrodkowych, przez który przechodzą, a także zdolność do wywoływania emisji promieniowania elektromagnetycznego, reakcji chemicznej i jądrowej, wytwarzania nośników prądu elektrycznego. Ośrodkiem czynnym detektorów promieniowania jonizującego bywają zazwyczaj specjalnie dobrane gazy, ciecze bądź ciała stałe. Istnieje wiele typów detektorów promieniowania jonizującego o różnym przeznaczeniu, dostosowanych do detekcji różnych cząstek w różnych zakresach energii.
    Liczniki cząstek rejestrują jedynie fakt przejścia cząstek przez ośrodek czynny detektora, detektory śladowe pozwalają na rekonstrukcję torów cząstek na podstawie śladów, np. jonów lub związków chemicznych, pozostawionych w ośrodku detektora (umieszczone w polu magnetycznym umożliwiają — poprzez pomiar krzywizny toru — wyznaczenie znaku ładunku oraz pędu cząstki).

    Ataksyty – grupa meteorytów żelaznych o bardzo wysokim udziale procentowym niklu. Po przecięciu i oczyszczeniu meteorytu, w płaszczyźnie przecięcia nie uwidacznia się żadna wyraźnie uporządkowana struktura. Ataksyty, które zawierają powyżej 27% niklu składają się prawie wyłącznie z taenitu, jeżeli posiadają mniej niż 27% to zawierają głównie plesyt. Przykładem ataksytu jest meteoryt Hoba. Liczba masowa (A) – wartość opisująca liczbę nukleonów (czyli protonów i neutronów) w jądrze atomu (nuklidzie) danego izotopu danego pierwiastka. Liczby masowej nie należy mylić z masą atomową pierwiastka, która wyznaczana jest metodami chemicznymi, ani też z masą pojedynczego jądra.

    Jon – atom lub grupa atomów połączonych wiązaniami chemicznymi, która ma niedomiar lub nadmiar elektronów w stosunku do protonów. Obojętne elektrycznie atomy i cząsteczki związków chemicznych posiadają równą liczbę elektronów i protonów, jony zaś są elektrycznie naładowane dodatnio lub ujemnie.

    Metoda Monda, czasami nazywana metodą karbonylkową jest techniką ekstrakcji i oczyszczania niklu stworzoną w roku1890 przez Ludwiga Monda. Proces był używany na skalę przemysłową już pod koniec XIX wieku. Proces polega na konwersji tlenków niklu do czystego metalu. Metoda wykorzystuje fakt, że tlenek węgla szybko i odwracalnie kompleksuje nikiel dając tetrakarbonylonikiel. Żaden inny pierwiastek nie tworzy karbonylków w tak łagodnych warunkach, jakie są wykorzystywane w metodzie.
    Proces posiada trzy etapy:

    Fizyka chemiczna – dział fizyki, który zajmuje się badaniem fizycznych aspektów zjawisk chemicznych. Tradycyjnie do fizyki chemicznej zalicza się spektroskopię, niektóre aspekty mechaniki kwantowej oraz elementy fizyki ciała stałego i fizyki roztworów. W zasadzie całość zagadnień fizyki chemicznej jest zawarta w chemii fizycznej i podział zagadnień na fizykę chemiczną i chemię fizyczną jest bardzo umowny. Praktycznie biorąc z fizyką chemiczną ma się do czynienia wtedy gdy fizycy zajmują się chemią, zaś z chemią fizyczną wtedy gdy chemicy adaptują techniki i teorie fizyczne do swoich celów. Kamacyt – minerał, krystaliczna postać stopu żelaza (Fe) i niklu (Ni), zawierającego do 10.46% niklu i 89.54% żelaza. Wstępuje w meteorytach żelaznych i żelazno-kamiennych. Kamacyt może tworzyć w meteorytach wewnętrzne struktury zwane figurami Widmanstättena i liniami Neumanna. Kamacyt nazywany jest też "żelazem belkowym". Największy udokumentowany kryształ kamacytu ma wymiary 92×54×23 cm.

    Dodano: 08.06.2011. 00:47  


    Najnowsze