Técnicas de medida de las propiedades fundamentales de los ... · 2.3 Radio de carga nuclear....

1

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


1.1 Generalidades

3

Efectos de estructura en las masas nucleares:


Masas nucleares

1.1 Generalidades

4

Poder predictivo de los modelos actuales:


Masas nucleares

1.1 Generalidades

5

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)


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

QQ

mm


Masas nucleares

1.2 Medidas usando el Q de reacción

7

22

EE

BB

mm

qvBqE

qBmv EBqm

2


Masas nucleares

1.3 Medidas por análisis magnéticoEspectrometría de masas

8

GANIL)1( 11 ZqB

)1( 122 ZqqB ZBB 1


Masas nucleares

1.4 Medidas usando el tiempo de vuelo

9

22

ToFToF

BB

mm

qmvB

ToFLv

ToFL

qBm


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


Masas nucleares

1.4 Medidas por análisis magnético con un anillo de almacenamientoNúcleos producidos por fragmentación a energías relativistas


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


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,


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


Masas nucleares

1.4 Medidas por frecuencia de ciclotrón con una trampa de iones

16

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


Masas nucleares


17

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 )/(


Masas nucleares


18

Resoluciones obtenidas con cada método:


Masas nucleares

19

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


Distribuciones de carga y masa

2.1 Generalidades

20

Medida de la sección eficaz total del reacción

R

1.2A1/3



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



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



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



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



2.4 Distribución nuclear de carga: colisiones (e,e’) y factor de forma



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 ),()()(



2.5 Distribución nuclear de masa: reacciones (p,p’)

27

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


Momentos electromagnéticos

3.1 Generalidades

28

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


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




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



31

radiofrecuencia

Ejemplo de dispositivo experimental




32

-NMR (resonancia nuclear magnética)polarización inicial campo magnético variable radiofrecuencia variable




33

-LMR (resonancia por mezcla de niveles)




34

Vidas medias


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


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.


Vidas medias

4.2 Método de coincidencias retardadas Desintegración de núcleos de interés astrofísico


Vidas medias

Setting

centrado en 186Lu

Producido Implantado

4.2 Método de coincidencias retardadas


Vidas medias

4.3 Tiempo de revolución en un anillo de almacenamiento

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