| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Jadrové reakcie spôsobené bleskom
Vladimír Scholtz
Búrka a blesk sú známe javy nielen v pozemskej atmosféreAtmosféra – plynný obal vesmírného tělesa, který si těleso drží vlastní gravitací. Atmosféru mají především planety. Málo hmotné atomy z atmosféry relativně snadno unikají do meziplanetárního prostoru., no aj napriek tomu stále nevieme spoľahlivo vysvetliť ich vznik a procesy, ktoré v nich prebiehajú. Na tomto mieste sme o nich písali už niekoľkokrát, a preto na úvod odkážem čitateľa na predchádzajúce bulletiny: o vzniku bleskov a o gama zábleskoch a rentgenovom žiarení bleskov sme písali v AB 39/2007 a AB 14/2011, o rádiových zábleskoch predchádzajúcich samotným bleskom sme písali v AB 17/2013. Dnes sa budeme venovať najnovšej štúdii [1], ktorá popisuje vznik rádioaktívnych izotopovIzotopy – prvky, jejichž jádra mají stejný počet protonů, ale různý počet neutronů. Všechny izotopy prvku mají stejné chemické vlastnosti, liší se však od sebe svými fyzikálními vlastnostmi, například hmotností, poločasem rozpadu atd. za búrky.
Už dlhšiu dobu sa na základe pozorovaní a teoretických modelov predpokladalo, že záblesky gama žiarenia spôsobujú viaceré jadrové reakcie uvoľňujúce neutrónyNeutron – částice složená ze tří kvarků (ddu) se spinem 1/2, hmotností 1,675×10−27 kg (940 MeV) a nulovým elektrickým nábojem. Volné neutrony jsou nestabilní se střední dobou života 886 s (15 minut) a poločasem rozpadu 10 minut. V roce 1930 Walther Bothe a Herbert Becke ostřelovali lehké prvky alfa částicemi a objevili nový druh pronikavého záření. V roce 1932 zjistil James Chadwick, že je toto záření složeno z neutrálních částic přibližné velikosti protonu a objevil tak neutron. a pozitrónyPozitron – antičástice k elektronu. Teoreticky existenci pozitronu předpověděl Paul Dirac v roce 1928. Experimentálně ho objevil v kosmickém záření Carl Anderson v roce 1932.. Gama fotónyFoton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926. môžu vznikať pri zrážkach relativistických elektrónov (elektrónov urýchlených až k rýchlosti svetla, viď úvodné bulletiny) s molekulami vzduchu. Tieto, takzvané gama záblesky, smerujú väčšinou do vesmírneho priestoru, preto boli aj prvý krát zachytené z družíc na obežnej dráhe [2]. Občas sa ale môže stať, že sa záblesky šíria smerom k Zemi a vtedy sú pozorovateľné z pozemských staníc. Teoretické modely vysvetľovali tieto záblesky ako rozpad rádioizotopov, napríklad 13N a 15O, ktoré vznikli bezprostredne interakciou gama fotónov zo zábleskov s atómami atmosféry. Niekoľko pozorovacích staníc zachytilo v atmosfére po údere blesku taktiež výskyt neutrónov a pozitrónov. Doteraz ale chýbali spoľahlivé pozorovania, ktoré by navrhované teoretické modely potvrdili.
Procesy v bleskoch stále nevieme spoľahlivo vysvetliť. Zdroj: Happy Traveler.
|
Pozitron – antičástice k elektronu. Teoreticky existenci pozitronu předpověděl Paul Dirac v roce 1928. Experimentálně ho objevil v kosmickém záření Carl Anderson v roce 1932. Elektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10−31 kg a elektrický náboj 1,6×10−19 C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932. Neutron – částice složená ze tří kvarků (ddu) se spinem 1/2, hmotností 1,675×10−27 kg (940 MeV) a nulovým elektrickým nábojem. Volné neutrony jsou nestabilní se střední dobou života 886 s (15 minut) a poločasem rozpadu 10 minut. V roce 1930 Walther Bothe a Herbert Becke ostřelovali lehké prvky alfa částicemi a objevili nový druh pronikavého záření. V roce 1932 zjistil James Chadwick, že je toto záření složeno z neutrálních částic přibližné velikosti protonu a objevil tak neutron. Proton – částice složená ze tří kvarků (duu) se spinem 1/2, hmotností 1,673×10−27 kg (938 MeV) a elektrickým nábojem +1,6×10−19 C. Proton je na běžných časových škálách stabilní, pokud se rozpadá, je poločas rozpadu větší než 1035 let. Za objevitele protonu je považován Ernest Rutherford, který v roce 1911 objevil atomové jádro při analýze rozptylu částice alfa pronikající tenkou zlatou fólií. Samotná jádra vodíku (protony) detekoval v roce 1918 při ostřelování dusíku částicemi alfa. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emilio Segrem a Owenem Chamberlainem. |
Gama záblesky hneď po blesku
Aktuálne publikovala skupina výskumníkov z Kjótskej univerzity v Japonsku prácu [1], v ktorej spoľahlivo detegovali dva blesky a ich následné gama žiarenie. Výskum prebiehal na japonskej atómovej elektrárni Kashiwazaki-Kariwa v oblasti Niigata, kde je častý výskyt ťažkých búrkových oblakov na nízkej hladine. Od roku 2006 prebiehalo sledovanie gama žiarenia na niekoľkých zariadeniach. Začiatkom tohto roku zaznamenali signál z dvoch silných bleskov, ktoré udreli súčasne vo vzdialenosti menšej ako 2 km. V následnom dozvuku bleskov bolo gama žiarenie v tesnom závese iba niekoľko stoviek milisekúnd za bleskom.
Obr 1. Miesto pozorovania s vyznačenými polohami detektorov a monitorovacích staníc a so znázornenou intenzitou zachyteného signálu, miesta úderu bleskov (+ a −) a smeru vetru; záznam priebehu intenzít gama žiarenia (vpravo) bezprostredne po údere blesku (t = 0) z detektorov A, B a C. Prevzaté z [1].
Toto detegované gama žiarenie oneskorené o niekoľko sto milisekúnd nemôže pochádzať zo samotného blesku, ale musí mať iný pôvod. Primárne gama žiarenie, generované v samotnom blesku (viď úvodné odkazy), spôsobuje jadrovú reakciu, pri ktorej sa vzdušný stabilný izotop dusíku 14N rozpadá na neutrón a nestabilný izotop 13N, ktorý si zatiaľ nebudeme všímať. Tento neutrón s pôvodnou energiou asi 10 MeVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10−19 J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (103 eV), megaelektronvolt MeV (106 eV), gigaelektronvolt GeV (109 eV), teraelektronvolt TeV (1012 eV) nebo petaelektronvolt PeV (1015 eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc2) a teplota (E=kBT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K. sa vo vzduchu musí mnohonásobne pružne rozptýliť (tzv. moderovať) na jadrách atómov vzduchu, pokiaľ jeho energia neklesne na 0,1 až 100 eV. Potom sa môže opäť nepružne zraziť s dusíkom 14N a vytvoriť nový excitovaný izotop 15N. Ten následne prebytok energie vyžiari ako pozorovaný oneskorený záblesk gama. Tento proces je graficky znázornený na Obr. 2.
Obr 2. Rozkreslené jadrové reakcie primárneho gama fotónu pochádzajúceho
z blesku v zemskej atmosfére. Prevzaté z [1].
Trochu neskôr po blesku
Potom, čo utíchol blesk a po približne jednej sekunde aj jeho popísané sekundárne gama žiarenie, objavovalo sa na detektoroch A a D po dobu asi jednej minúty ďalšie gama žiarenie. Naviac, toto žiarenie malo takmer presne energiu 0,511 MeV, ktorá zodpovedá energii fotónov pri elektrónovo-pozitrónovej anihilácii (Obr. 3). To by plne zodpovedalo osudu nestabilného izotopu 13N, ktorý vznikol už spomínaným vyrazením neutrónu z pôvodného dusíku 14N. Dusík 13N sa rozpadá beta plus rozpadom s polčasom asi 10 minút na uhlík 13C za vzniku pozitrónu a neutrína. Pozitrón sa pohybuje atmosférou a po niekoľkých metroch anihiluje s iným elektrónom za vzniku charakteristického páru dvoch fotónov s energiami 0,511 MeV a presne opačnými smermi pohybu. Na prvý pohľad je podivný nárast intenzity signálu po približne 30 sekundách z detektora A v rozpore s navrhovaným modelom. Keďže ale výnimka potvrdzuje pravidlo, aj táto anomália naopak navrhovaný model podporuje. Tento posun je totiž presne v súlade časovým rozložením dejov v atmosfére pri započítaní rýchlosti vetru, ktorý hnal oblasť žiariacej atmosféry smerom k detektoru a spôsobil prechodný nárast nameranej intenzity. Proces je prehľadne znázornený na Obr. 4.
Obr 3. Zaznamenané gama žiarenie asi minútu po údere blesku: spektrálne rozloženie energie v čase na detektore A (a) a D (b) a spracovaná intenzita žiarenia s energiou 0,511 MeV na detektoroch A (c) a D (d). Prevzaté z [1].
Obr 4. Nákres situácie so započítaním pohybov v atmosfére. Hmota vzduchu, v ktorej dochádza ku vzniku pozitrónov, je hnaná vetrom z pôvodného miesta výskytu blesku ponad detektor. Prevzaté z [1].
Video na záver
Proste blesky. Zdroj: YouTube.
Odkazy
- Enoto, Teruaki, et al.: Photonuclear reactions triggered by lightning discharge; Nature 551.7681 (2017): 481.
- Fishman, Gerald J., et al.: Discovery of intense gamma-ray flashes of atmospheric origin. Science-AAAS-Weekly Paper Edition-including Guide to Scientific Information 264.5163 (1994): 1313-1316.
- Lightning, with a chance of antimatter
- Tim Wogan: Lightning creates radioactive isotopes
