FIZYKA IIIMEL

Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych

Wykład 1 – własności jąder atomowych

Rutherford (1911)

R 10 fm

Ernest Rutherford(1871-1937)

1908

Odkrycie jądra atomowego

10-20 10-10 100 1010 1020 1030

do Słońcajądro

atom WszechświatZiemia

człowiek

rozmiary (w metrach)skala logarytmiczna!

Skala przestrzenna

Cząstki i oddziaływania

•jądra atomowe

•składniki jąder: protony i neutrony (nukleony)

•liczne cząstki produkowane w wyniku procesów , w których uczestniczą nukleony lub jądraOddziaływania:

•grawitacyjne

•słabe

•elektromagnetyczne

•silne

Trzy grupy cząstek elementarnych

Nośniki oddziaływań:

•fotony (oddz. elektromagn.)

•bozony W i Z (oddz. słabe)

•gluony (oddz. silne)

•grawitony? (oddz. grawitacyjne) Leptony:

•elektrony i neutrina elektronowe

•miony i neutrina mionowe

•taony i neutrina taonowe

Hadrony:

•nukleony

•mezony

•…. (kilkaset cząstek)

Masy obiektów subatomowych

Masy wyrażamy w jednostkach energii:

2mcE

Jednostka energii – elektronowolt:

1eV = 1,602 10-19 C V = 1,602 10-19 J

Jednostka masy: MeV/c2 lub MeV (c = 1)

Masy nuklidów wyrażamy w atomowych jednostkach masy u:

1 u = masy obojętnego atomu węgla

C12612

1

227 481931106605311 cMeV,kg,u

Kinematyka relatywistyczna

20

2 cmmcE k

energia całkowita energia spoczynkowa

energia kinetyczna

2220

2 pccmE

energia całkowita

energia spoczynkowa

pęd

Falowe własności materii

Długość fali de Broglie’a: p

h

Zasada nieoznaczności: xp

Xe

ośrodek ciągły (tu ciekły ksenon) jest prawie pusty!

tylko tu...

Pustka materii

_

_

_

Rozmiar jądra

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

Na jaką odległość może zbliżyć się do jądra cząstka ?

rQqvm

E Nk

0

2

4

1

2

reZ

E k

0

2

większa energia

d

60o

parametr zderzenia

Gdy padająca cząstka znajdzie się dostatecznie

blisko jądra, włącza się oddziaływanie silne – formuła Rutherforda załamuje się. Punkt tego załamania wyznacza rozmiar jądra.

Rozmiar jądra

Rozmiar atomu: 10-10 m

Rozmiar jądra: 10-15 m

kEeZ

R

0

2

Dla jądra węgla: Ek = 5,1MeV R = 3,410-15m

Dla jądra aluminium: Ek = 9,0MeV R = 4,110-15m

Pustka materii

jądro piłka o średnicy 10 cm

elektrony

5 - 10 km

Rozmiar atomu: 10-10 m

Rozmiar jądra: 10-15 m

Świat jądrowy

energia jonizacji atomu wodoru – 13.6 eVenergia separacji nukleonu z jądra – 8.5 MeV

10-5 100 105 1010 1015 1020

gęstość [g/cm3]

Skala gęstości w mikro- i makroświecie:

ciało stałe

biały karzeł

gwiazda neutronowa

materia jądrowa

czarna dziura

ładunek: q = Ze e = 1.6 · 10-19 C

Składniki jądra

Ładunek jądra = n·e+

Masa jądra około dwukrotnie większa niż masa protonów.

Nukleony – protony i neutrony

Elektrony w jądrze?

MeV 10<βE więc nie!

np: spin jądra 147N jest całkowity

(eksperyment) podczas, gdy suma spinów (połówkowych) 14 protonów i 7 elektronów byłaby połówkowa!

MeV200

MeV/c200

fm1

ΔEΔx

Δp

Δx

oraz analiza spinów jąder…

zasada nieoznaczoności

Hipoteza: jądro zawiera A protonów i A – Z elektronów

(masa elektronu 0.5 MeV)

X - symbol pierwiastka

A - liczba masowa

Z - liczba atomowa

N - liczba neutronowa

Nuklidy

NAZ X

Pb20882

Fe5626

Be84

H11

ścieżka stabilności

+ gwiazdy neutronowe

Jądra superciężkie

IUPAC

101 Mendelevium Md102 Nobelium No103 Lawrencium Lr104 Rutherfordium Rf105 Dubnium Db106 Seaborgium Sg107 Bohrium Bh108 Hassium Hs109 Meitnerium Mt

Stabilne nuklidy

274 stabilnych nuklidów Z < 84 

od wodoru Z = 1 do bizmutu Z = 83 

następny polon Z = 84 jest już nietrwały

 niestabilne wyjątki: technet Z = 43

oraz promet Z = 61N niep. N parz.

Z niep. 4 50 54

Z parz. 55 165 220

59 215 274

H21

Li63

B105

N147

Nuklidy

XAZnuklidy Au19779

izotopy X,X 'AZ

AZ H,H,H 3

121

11

izobary X,X A'Z

AZ O,N,C 14

8147

146

B,Be,Li,He 95

84

73

62izotony X,X mA

mZAZ

izomery wzbudzenie

*X,X AZ

AZ

Masy jąder

Spektrometr masowy

qvBqE BEv /

qvBrmv /2

qBmvr /

EqrBm /2separacja izotopów...

selektor prędkości

selektor pędu

źródło jonów

detektor

B

B

E

Aston 1919

od 1919 zidentyfikował i zmierzył masy 212 izotopów...

1922

Francis Aston 1877 - 1945

Defekt masy

m – masa jądramp – masa protonu (938.3 MeV)mn – masa neutronu (939.6 MeV)defekt masy:

m c2 = [Z · mp + (A – Z) · mn – m] c2 > 0

energia wiązania: EB = m c2

EB / A 8.5 MeV

Defekt masy (cd)

kolaps jądrowy...

deuter

md = 1875 MeV < mp + mp = 1878 MeV

m 3 MeV

słabo związany układ dwóch nukleonów

21H - deuter

31H - tryt

11H - wodór

50 150 250200100

2

4

6

8

10

A

EB/A[MeV]

Energia wiązania

Energia potencjalna układu związanego jest ujemna

stabilność

50 150 250200100

2

4

6

8

10

A

EB/A[MeV]

rozpady ,rozszczepienie

fuzja

najsilniej związane (62

28Ni, Fe)

liczby magiczne

50 150 250200100

2

4

6

8

10

A

EB/A[MeV]

28

20285082

126

N=50

Z=50N=82Z=28 Z=82

N=126Z=20N=20

N=28

Z=8N=8

Z=2N=2