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Universidad de Santiago de Compostela
Asignatura de Física NuclearCurso académico 2009/2010
Tema 11
Técnicas de medida de las propiedades fundamentales de los núcleos
Física Nuclear, Tema 11 José Benlliure
2
fuerza nuclear límite de existencia de los núcleos estructura nuclear deformación nuclear
Masas nucleares
Física Nuclear, Tema 11 José Benlliure
1.1 Generalidades
3
Efectos de estructura en las masas nucleares:
Física Nuclear, Tema 11 José Benlliure
Masas nucleares
1.1 Generalidades
4
Poder predictivo de los modelos actuales:
Física Nuclear, Tema 11 José Benlliure
Masas nucleares
1.1 Generalidades
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Técnicas experimentales para medir masas nucleares
métodos indirectos, Q de la reacción (m/m = 10-4)
medida de tiempo de vuelo (m/m = 10-4)
medidas de masas con ciclotrones (m/m = 10-5)
medidas de masas con anillos de almacenamiento (m/m = 10-6)
espectrometría de masas
medidas de masas con trampas de iones (m/m = 10-8)
Física Nuclear, Tema 11 José Benlliure
Masas nucleares
1.1 Generalidades
6
BBbbAaa TcmTcmcmTcm 2222
BbAa
2222 cmcmcmcmTTTQ BbAaaBb
2222
b
b
A
A
a
a
B
B
mm
mm
mm
mm
Física Nuclear, Tema 11 José Benlliure
Masas nucleares
1.2 Medidas usando el Q de reacción
7
22
EE
BB
mm
qvBqE
qBmv EBqm
2
Física Nuclear, Tema 11 José Benlliure
Masas nucleares
1.3 Medidas por análisis magnéticoEspectrometría de masas
8
GANIL)1( 11 ZqB
)1( 122 ZqqB ZBB 1
Física Nuclear, Tema 11 José Benlliure
Masas nucleares
1.4 Medidas usando el tiempo de vuelo
9
22
ToFToF
BB
mm
qmvB
ToFLv
ToFL
qBm
Física Nuclear, Tema 11 José Benlliure
Masas nucleares
1.4 Medidas usando el tiempo de vueloNúcleos ligeros (A=10-50) ricos en neutrones producidos en reacciones de fragmentación entre 50 y 100 A MeV.
ToF ~ 1 s, ToF~100-200 ps ToF/ToF~2-4 10-4
B/B
~10-4
10Física Nuclear, Tema 11 José Benlliure
Masas nucleares
1.4 Medidas usando el tiempo de vueloNúcleos de masa intermedia (A~100) rdeficitarios en neutrones producidos en reacciones de fusión evaporación alrededor de 5 A MeV.
Típicamente los núcleos dan unas 100 vueltas en el segundociclotrón tardando unos 60 s. Como la resolución en ToF esToF~300 ps la resolución en masa final será m/m~5 10-6
11Física Nuclear, Tema 11 José Benlliure
Masas nucleares
1.4 Medidas por análisis magnético con un anillo de almacenamientoNúcleos producidos por fragmentación a energías relativistas
12Física Nuclear, Tema 11 José Benlliure
Masas nucleares
1.4 Medidas por frecuencia de revolución en un anillo de almacenamiento
13
electron collector electron gun
high voltage platform
magnetic field electron beam
ion beam
before coolingafter cooling
Física Nuclear, Tema 11 José Benlliure
Masas nucleares
1.4 Medidas por frecuencia de revolución en un anillo de almacenamientoTécnicas de enfriamiento de haces
14
20
20
220
2)2(),(
rzrzzr
B
02
.
20
..
yqBx
dqxm
02 2
0..
qBxyd
qym
020
..
z
dqzm
qm,
Física Nuclear, Tema 11 José Benlliure
Masas nucleares
1.4 Medidas por frecuencia de ciclotrón con una trampa de ionesLa trampa Penning
222 42 drz oo
15
20
mdq
z
)2(21 22
zcc
)2(21 22
zcc
222)/( zc Bmq
Movimiento de iones en la trampa Penning
)(21
21
21 22
max22222 zAmrmrmE zcin
Física Nuclear, Tema 11 José Benlliure
Masas nucleares
1.4 Medidas por frecuencia de ciclotrón con una trampa de iones
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Modificación del movimiento con una RF cuadrupolar externa
22max
21 RmErad
0)cos(22 2
0
2...
xt
mrqVxx RFRF
RFzc
0)cos(22 2
0
2...
yt
mrqVyy RFRF
RFzc
ti
bB
iCRF
BCRFetekrirtrtr
)(21
000
0 )sin()(21)cos()(
ti
bB
iCRF
BCRFetekrirtrtr
)(21
000
0 )sin()(21)cos()(
CRF
Rtr )(
0)( tr
acoplamiento entre el movimientomagnetón y el ciclotrón
Física Nuclear, Tema 11 José Benlliure
Masas nucleares
1.4 Medidas por frecuencia de ciclotrón con una trampa de iones
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Determinaciónde la masa por resonancia en tiempo de vuelo tras la extracción:Cuando la energía cinética radial es máxima también lo es el momento magnético de losnúcleos atrapados y por tanto sentirán una fuerza mayor cuando la trampa se abra
minmax ToFErad
CRF Bqm c )/(
Física Nuclear, Tema 11 José Benlliure
Masas nucleares
1.4 Medidas por frecuencia de ciclotrón con una trampa de iones
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Resoluciones obtenidas con cada método:
Física Nuclear, Tema 11 José Benlliure
Masas nucleares
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Técnicas de medida de densidades de materia y carga nuclear
densidades de carga: colisiones (e,e’)
radios nucleares: secciones eficaces de reacción
radios nucleares: átomos muónicos
radios nucleares: desplazamiento isotópico
radios nucleares: reacciones de intercambio de carga
densidades de materia: difusión elástica
Física Nuclear, Tema 11 José Benlliure
Distribuciones de carga y masa
2.1 Generalidades
20
Medida de la sección eficaz total del reacción
R
1.2A1/3
Física Nuclear, Tema 11 José Benlliure
Distribuciones de carga y masa
2.2 Radio nuclear
21
rZerVRr
o
22
4)(:
Energía E’ del órbital 1s de un átomo de radio R con un electrón:
22
21
23
4)(':
RrZerVRr
o
dvVdvVV nRr nnRr n ** ''
3
2422
3
2
0
/23
42
452
21
2314
4 oo
R aZr
oo aRZedrr
Rr
Rre
aZeE o
Física Nuclear, Tema 11 José Benlliure
Distribuciones de carga y masa
2.3 Radio de carga nuclearMedida del desplazamiento isotópico por excitación láser
E’
=
La diferencia en energía E=E’-E entre los orbitales 1s de un supuesto átomo con cargapuntutal y otro con una distribución de carga de radio R sería:
22
Como no existen núcleos con una distribución de carga puntualconsideremos la transición K 2p1s entre dos isótopos vecinos:
)'()'()()()'()( 1212 AEAEAEAEAEAE spspKK
Suponiendo que E2p (A)= E2p (A’) y que E1s = E+E, siendo la energía para r>R (E) igual para los dos núcleos:
)'(145
2)()'()'()( 3/23/2224
AARa
eZAEAEAEAE ooo
KK
Física Nuclear, Tema 11 José Benlliure
Distribuciones de carga y masa
2.3 Radio de carga nuclearMedida del desplazamiento isotópico por excitación láser
Esta diferencia de energía es mucho mayor en átomosmuónicos (~MeV) por lo que se utilizan este tipo de átomospara determinar los radios de las distribuciones de carganuclear.
23
Estas reacciones dan lugar a núcleos espejo (N,Z)(N+1,Z-1):13N-13C, 39Ca-39K
RZeE
oC
22
453
Considerando la energía de una esfera cargada de radio R
La diferencia de energía entre dos núcleos espejos es:
)12(45
3)1(45
3 222
2
ZR
eZZR
eEoo
C
Como N=Z-1 y por tanto A=2Z-1 entonces:3/2
2
453 A
ReE
ooC
Física Nuclear, Tema 11 José Benlliure
Distribuciones de carga y masa
2.3 Radio de carga nuclearVariación de la energía Coulombiana en reacciones de intercambio de carga o desintegraciones .
24
2)( fdd
0
)/sin()(2)( drqrrVq
f hh
RuthddqF
dsqsq
mZedrrqr
qrr
sdsqis
mZerdrqisr
sdrdsrqisrmZef
)/(
0
2
)(
2
0
2
2
2
2
)/sin(24)/(
)/sin()(
exp12
exp)(
)(exp)(2
)(
2
Física Nuclear, Tema 11 José Benlliure
Distribuciones de carga y masa
2.4 Distribución nuclear de carga: colisiones (e,e’) y factor de forma
25Física Nuclear, Tema 11 José Benlliure
Distribuciones de carga y masa
2.4 Distribución nuclear de carga: colisiones (e,e’) y factor de forma
NUSTAR
100 m
UNILACSIS 18 SIS 100/300
HESR
SuperFRS
NES R
C R
RES R
FLAIR
Difusiones electrón – núcleo exótico en FAIR.
26
2)( fdd
0
)/sin()(2)( drqrrVq
f hh
bbb drrrvrrV ),()()(
Física Nuclear, Tema 11 José Benlliure
Distribuciones de carga y masa
2.5 Distribución nuclear de masa: reacciones (p,p’)
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resonancia por mezcla de niveles
momento dipolar magnético y cuadrupolar eléctrico
interacción de los momentos electromagnéticos con un campo externo: estructura hiperfina
resonancia nuclear magnética
asimetría en la desintegración
Física Nuclear, Tema 11 José Benlliure
Momentos electromagnéticos
3.1 Generalidades
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Núcleo en un campo magnéticoconstante
Núcleo en un gradiente de campoeléctrico
LL 2
h/Bg NL
)12(4/2 llQQ
heQVZZQ /Física Nuclear, Tema 11 José Benlliure
Momentos electromagnéticos
3.2 Técnicas de medida de los momentos electromagnéticos nucleares
29
B y Vzz paralelos (m es un buen número cuántico)B y Vzz forman un ángulo Campo eléctrico (Vzz ) y magnético (B) combinado
Física Nuclear, Tema 11 José Benlliure
Momentos electromagnéticos
3.2 Técnicas de medida de los momentos electromagnéticos nucleares
30
Distribución angular de la radiación emitida en la desintegración
Bkn es el llamado tensor de orientación y describe la
orientación de la población de espín del núcleo
distribución isotrópica distribución polarizada distribución alineada
La reacción que produce los núcleos exóticos produce una distribución polarizada o alineadaFísica Nuclear, Tema 11 José Benlliure
Momentos electromagnéticos
3.2 Técnicas de medida de los momentos electromagnéticos nucleares
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radiofrecuencia
Ejemplo de dispositivo experimental
Física Nuclear, Tema 11 José Benlliure
Momentos electromagnéticos
3.2 Técnicas de medida de los momentos electromagnéticos nucleares
32
-NMR (resonancia nuclear magnética)polarización inicial campo magnético variable radiofrecuencia variable
Física Nuclear, Tema 11 José Benlliure
Momentos electromagnéticos
3.2 Técnicas de medida de los momentos electromagnéticos nucleares
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-LMR (resonancia por mezcla de niveles)
Física Nuclear, Tema 11 José Benlliure
Momentos electromagnéticos
3.2 Técnicas de medida de los momentos electromagnéticos nucleares
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Vidas medias
Física Nuclear, Tema 11 José Benlliure
Ion SourceIon Source
TargetTarget
BeamBeam
HighHigh--resolution resolution --ray spectroscopyray spectroscopy
B~AB~A
GeGeGeGe
55 55 keVkeV
11+ + ionsions
Charged particle Charged particle detectiondetection
4.1 Método de activaciónSe aplica a núcleos cuyo tiempo de producción es inferior a su vida media. En este caso la medidatiene dos fases una de activación y otra de medida de la radioactividad emitida. Se produce unadeterminada cantidad de núcleos de la especie que se quiere estudiar y posteriormente se mide laradiactividad emitida por la muestra en función del tiempo.
/toeNN
35Física Nuclear, Tema 11 José Benlliure
Vidas medias
4.2 Método de coincidencias retardadas
Implantationdecay
Time
Se aplica a núcleos cuyo tiempo de producción es superior a su vida media. En este caso se mideel tiempo transcurrido entre la producción y la posterior desintegración núcleo a núcleo.
36Física Nuclear, Tema 11 José Benlliure
Vidas medias
4.2 Método de coincidencias retardadas Desintegración de núcleos de interés astrofísico
37Física Nuclear, Tema 11 José Benlliure
Vidas medias
Setting
centrado en 186Lu
Producido Implantado
4.2 Método de coincidencias retardadas
38Física Nuclear, Tema 11 José Benlliure
Vidas medias
4.3 Tiempo de revolución en un anillo de almacenamiento