FIZYKA dla studentów POLIGRAFII

Jądro atomowe

Jądro atomowe

Doświadczenie Rutherforda

Na jaką odległość może zbliżyć się do jądra cząstka ?

Wzór słuszny dla r > R, gdzie R – promień jądra.

Jądro atomowe

Dla jądra węgla: Ek = 5.1MeV, R = 3.4*10-15m

Dla jądra aluminium: Ek = 9.0MeV, R = 4.1*10-15m

Rozmiar atomu: 10-10m

Rozmiar jądra: 10-15m

Jądro atomowe

Masę jądra można wyznaczyć za pomocą spektrometru masowego

Wiązka jonów przyspieszana jest najpierw w polu elektrycznym określonym przez różnicę potencjałów U, a następnie zakrzywiana w jednorodnym polu magnetycznym o indukcji B, prostopadłym do kierunku ruch jonów.

Jądro atomowe

Ładunek jądra = n·e+

Masa jądra około dwukrotnie większa niż masa protonów.

Nukleony – protony i neutrony

•Nuklidy o tej samej liczbie Z tj. liczbie protonów - to izotopy, •Nuklidy o tej samej liczbie N tj. liczbie neutronów - to izotony, •Nuklidy o tej samej liczbie A tj. liczbie nukleonów - to izobary

Jądro atomowe

masa 1 cm3 materii jądrowej wynosi ok. 230 milionów ton

Gęstość materii jądrowej

Wzór Fermiego:

30 ARR fmmR 3,1103,1 15

0

Defekt masy

Suma mas neutronów i protonów

Masa jądraEnergia wiązania

Energia jądrowa

rozszczepienie

syn

teza

jąd

row

a

Spin jądra

Spin jądra  jest sumą wektorową spinów poszczególnych nukleonów oraz ich momentów orbitalnych.

•Spiny jąder zawierających parzystą liczbę nukleonów są całkowite (równe są całkowitej wielokrotności stałej Plancka)

• Spiny jąder, w których liczba protonów jak i liczba neutronów jest podzielna przez dwa, tzn. obie liczby są parzyste - są  równe zeru.

•Spiny jąder o nieparzystej liczbie nukleonów są połówkowe (równe są nieparzystej wielokrotności połowy stałej Plancka)

Siły jądrowe

•niezależne od ładunku elektrycznego

•krótkozasięgowe. (zasięg rzędu 10-15 metra)

•własność wysycania (każdy nukleon oddziałuje tylko z najbliższymi sąsiadami)

•siły jądrowe zależne są od wzajemnej orientacji spinów nukleonów (nie są siłami centralnymi)

Model kroplowy

równe jest zeru dla jąder o A nieparzystym, dodatnie dla jąder parzysto-parzystych i ujemne dla jąder nieparzysto-nieparzystych.

Model gazu Fermiego

Bariera kulombowska

Poziomy energetyczne

Model powłokowy

Jądra podwójnie magiczne:

Model powłokowyJądra podwójnie magiczne

Przemiany jądrowe

Przemiana :

Przemiana :

Przemiany jądrowe

Przemiana beta

Przemiany jądrowe

Przemiana :

Proces statystyczny:

Przemiany jądrowe

Czas połowicznego zaniku:

Ile jąder zostanie?

Przemiany jądroweAktywność źródła:

Bekerel Bq – 1 rozpad na sekundę

Datowanie promieniotwórcze

Szeregi promieniotwórcze

Po

Szeregi promieniotwórcze

Nazwa szeregu

AIzotop

początkowyIzotop

końcowyT1/2, lat

torowy 4n 23290Th 208

82Pb 1.4*1010

neptunowy 4n+1 23793Np 209

83Bi 2.2*106

uranowo-radowy

4n+2 23892U

20682Pb 4.5*109

uranowo-aktynowy

4n+3 23592U

20782Pb 7.2*108

Reakcje jądrowe

Rozpraszanie sprężyste:

Rozpraszanie niesprężyste:

Reakcja właściwa:

Reakcje jądrowe

Zasada zachowania energii:

Q > 0 – reakcja egzotermiczna

Q < 0 – reakcja endotermiczna

Energia progowa

Reakcja rozszczepienia

Reakcja rozszczepienia

Reakcja rozszczepienia

Reaktor jądrowy

1. Pręty paliwowe – materiał rozszczepialny

2. Moderator ( spowalnia neutrony) - grafit lub tzw. ciężka woda

3. Kanał chłodzenia - ciekły sód lub woda

4. Pręty regulacyjne (kadm pochłania neutrony - ma spowalniać lub przyspieszać reakcję)

P.A.M.Dirac (1928) – relatywistyczne równanie falowe

energia:2242 cpcmE e

mc2

-mc2

0

cząstka (elektron)

dziura (pozyton)

Antycząstki

kreacja pary

foton

pozyton

elektron

hmin = 2mec2 1.02 MeV

anihilacja

Znikają elektron i pozyton, pojawiają się 2 fotony (E 0.5 MeV)

pozyton

elektron

foton

foton

Model Standardowy

Do chwili obecnej odkryto około dwieście cząstek (z których większość nie jest cząstkami elementarnymi).

Model Standardowy – teoria opisująca wszystkie cząstki i oddziaływania między nimi za pomocą:

•6 kwarków

•6 leptonów

•cząstek przenoszących oddziaływania

Każdej cząstce odpowiada antycząstka

kwarki (spin = ½) i leptony (spin = ½)

aromat (flavour)

masa [MeV]

ładunek lepton masa [MeV]

ładunek

u – up górny

1.5 4.5

+2/3 e - elektron =

0.511 -1

d – down dolny

5.0 8.5

-1/3 ν - neutrino elektronowe

0 < 3.010-6

0

c – charm powabny

1.0 1.4

103

+2/3 μ -mion = 2.20·10-6 s

105.7 -1

s – strange dziwny

80 155

-1/3 νμ – neutrino

mionowe

0 < 0.19

0

t – top wierzchni

174. 103

+2/3 τ - taon = 2.91·10-13 s

1777.0 -1

b – bottom spodni

4.0 4.5

103

-1/3 ντ – neutrino

taonowe

0 < 18.2

0

PPb 2002

Hadrony

Z kwarków zbudowane są hadrony:

• z trzech kwarków – bariony

• z kwarku i antykwarku - mezony

Bariony

Większość masy hadronu to energia wiązania kwarków.

Mezony

dudusu

Leptony

Leptony = (e, e), (, ), (, ) + antycząstkisą fermionami oddziałujacymi słabo,

Le L L

e, e +1 , +1 , +1

e+,e 1 +, 1 +, 1

inne 0 inne 0 inne 0

Liczba leptonowa:

Oddziaływania

Wirtualne cząstki przenoszące oddziaływanie

tEZasada nieoznaczoności:

czas

1 cząstka wysyła i pochłania cząstki wirtualne

1 cząstka wysyła, a 2 cząstka pochłania cząstki wirtualne

Oddziaływania

grawit. elektrosłabe silne (kolorowe)

grawiton(?)

masa [GeV]

ładunek masa [GeV]

ładunek

γ

W+

W-

Zo

0

80.480.491.2

0

+1-10

g - gluon

0 0

superoktet SU(3)

8 stanów koloru