Polski unikatowy detektor pozwolił odkryć rzadkie rozpady jąder niklu
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) 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.
Zaloguj się Logowanie