FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych Wykład 1 – własności jąder atomowych

Odkrycie jądra atomowego Rutherford (1911) Ernest Rutherford (1871-1937) 1908 R  10 fm

rozmiary (w metrach) skala logarytmiczna! Skala przestrzenna 10-20 10-10 100 1010 1020 1030 do Słońca jądro atom Wszechświat Ziemia człowiek rozmiary (w metrach) skala logarytmiczna!

Cząstki i oddziaływania jądra atomowe składniki jąder: protony i neutrony (nukleony) liczne cząstki produkowane w wyniku procesów , w których uczestniczą nukleony lub jądra Oddziaływania: 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: 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

Kinematyka relatywistyczna energia całkowita energia spoczynkowa energia kinetyczna energia całkowita energia spoczynkowa pęd

Falowe własności materii Długość fali de Broglie’a: Zasada nieoznaczności:

Pustka materii Xe tylko tu...  _  _  _ ośrodek ciągły (tu ciekły ksenon) jest prawie pusty!

Rozmiar jądra Na jaką odległość może zbliżyć się do jądra cząstka ? większa energia Na jaką odległość może zbliżyć się do jądra cząstka ? Wzór słuszny dla r > R, gdzie R – promień jądra.

60o Gdy padająca cząstka  znajdzie się dostatecznie blisko jądra, włącza się oddziaływanie silne – formuła Rutherforda załamuje się. Punkt tego załamania wyznacza rozmiar jądra. d parametr zderzenia

Rozmiar jądra Rozmiar jądra: 10-15 m Rozmiar atomu: 10-10 m Dla jądra węgla: Ek = 5,1MeV R = 3,410-15m Dla jądra aluminium: Ek = 9,0MeV R = 4,110-15m Rozmiar jądra: 10-15 m Rozmiar atomu: 10-10 m

Pustka materii Rozmiar jądra: 10-15 m Rozmiar atomu: 10-10 m elektrony 5 - 10 km jądro piłka o średnicy 10 cm Rozmiar jądra: 10-15 m Rozmiar atomu: 10-10 m

Świat jądrowy Skala gęstości w mikro- i makroświecie: ładunek: q = Ze e = 1.6 · 10-19 C energia jonizacji atomu wodoru – 13.6 eV energia 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

Składniki jądra Ładunek jądra = n·e+ Masa jądra około dwukrotnie większa niż masa protonów. Nukleony – protony i neutrony

Elektrony w jądrze? Hipoteza: jądro zawiera A protonów i A – Z elektronów zasada nieoznaczoności (masa elektronu  0.5 MeV) więc nie! oraz analiza spinów jąder… np: spin jądra 147N jest całkowity (eksperyment) podczas, gdy suma spinów (połówkowych) 14 protonów i 7 elektronów byłaby połówkowa!

Nuklidy X - symbol pierwiastka A - liczba masowa Z - liczba atomowa N - liczba neutronowa

ścieżka stabilności + gwiazdy neutronowe

Jądra superciężkie IUPAC 101 Mendelevium Md 102 Nobelium No 103 Lawrencium Lr 104 Rutherfordium Rf 105 Dubnium Db 106 Seaborgium Sg 107 Bohrium Bh 108 Hassium Hs 109 Meitnerium Mt

Stabilne nuklidy N niep. N parz. Z niep. 4 50 54 Z parz. 55 165 220 59 274 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 = 61 N niep. N parz. Z niep. 4 50 54 Z parz. 55 165 220 59 215 274

Nuklidy nuklidy izotopy izobary izotony izomery wzbudzenie

Masy jąder

Spektrometr masowy separacja izotopów... selektor prędkości selektor pędu źródło jonów detektor B E separacja izotopów...

Aston 1919 Francis Aston 1877 - 1945 1922 od 1919 zidentyfikował i zmierzył masy 212 izotopów...

Defekt masy m – masa jądra mp – 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 11H - wodór 21H - deuter 31H - tryt md = 1875 MeV < mp + mp = 1878 MeV m  3 MeV słabo związany układ dwóch nukleonów

Energia wiązania EB/A A 50 150 250 200 100 2 4 6 8 10 A EB/A [MeV] Energia potencjalna układu związanego jest ujemna

stabilność A EB/A [MeV] 50 150 250 200 100 2 4 6 8 10 rozpady , rozszczepienie fuzja najsilniej związane (6228Ni, Fe)

liczby magiczne EB/A 2 8 20 28 50 82 126 A [MeV] 50 150 250 200 100 2 4 6 8 10 A EB/A [MeV] 2 8 20 28 50 82 126 N=50 Z=50 N=82 Z=28 Z=82N=126 Z=20N=20 N=28 Z=8N=8 Z=2N=2