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 jądra: 10-15m Rozmiar atomu: 10-10m
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 Gęstość materii jądrowej masa 1 cm3 materii jądrowej wynosi ok. 230 milionów ton Gęstość materii jądrowej Wzór Fermiego:
Defekt masy Masa jądra Energia wiązania Suma mas neutronów i protonów
Energia jądrowa rozszczepienie synteza jądrowa
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 powłokowy Jądra podwójnie magiczne
Przemiany jądrowe Przemiana : Przemiana :
Przemiany jądrowe
Przemiana beta
Przemiany jądrowe Przemiana : Proces statystyczny:
Przemiany jądrowe Ile jąder zostanie? Czas połowicznego zaniku:
Przemiany jądrowe Aktywność źródła: Bekerel Bq – 1 rozpad na sekundę Datowanie promieniotwórcze
Szeregi promieniotwórcze Po
Szeregi promieniotwórcze Nazwa szeregu A Izotop początkowy Izotop końcowy T1/2, lat torowy 4n 23290Th 20882Pb 1.4*1010 neptunowy 4n+1 23793Np 20983Bi 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 Q > 0 – reakcja egzotermiczna 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 3. Kanał chłodzenia - ciekły sód lub woda 4. Pręty regulacyjne (kadm pochłania neutrony - ma spowalniać lub przyspieszać reakcję) 2. Moderator ( spowalnia neutrony) - grafit lub tzw. ciężka woda
Antycząstki P.A.M.Dirac (1928) – relatywistyczne równanie falowe energia: mc2 -mc2 cząstka (elektron) dziura (pozyton)
kreacja pary foton pozyton elektron hmin = 2mec2 1.02 MeV
anihilacja elektron pozyton foton Znikają elektron i pozyton, pojawiają się 2 fotony (E 0.5 MeV)
Każdej cząstce odpowiada antycząstka 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 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 c – charm powabny 1.0 1.4 103 μ -mion = 2.20·10-6 s 105.7 s – strange dziwny 80 155 νμ – neutrino mionowe 0 < 0.19 t – top wierzchni 174. 103 τ - taon = 2.91·10-13 s 1777.0 b – bottom spodni 4.0 4.5 103 ντ – neutrino taonowe 0 < 18.2 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
Leptony Leptony = (e, e), (, ), (, ) + antycząstki są fermionami oddziałujacymi słabo, Liczba leptonowa: Le L L e, e +1 , , e+,e 1 +, +, inne
Oddziaływania Wirtualne cząstki przenoszące oddziaływanie Zasada 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 γ W+ W- Zo 80.4 80.4 91.2 +1 -1 0 g - gluon superoktet SU(3) 8 stanów koloru