FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych Wykład 5 – Promieniotwórczość naturalna

Rozpad  parcjalne czasy życia:  241Am 237Np A-4Z-2Y AZX 1 2 3 I 1 2 3 1 2 3 parcjalne czasy życia:

Rozpad  Korelacja między czasami życia a energiami cząstek  logT1/2 logE logT1/2 Korelacja między czasami życia a energiami cząstek 

Rozpad  energie cząstek  : < 10 MeV czasy życia: od 10-6 s do 1017 s r Bz ze – ładunek emitowanej cząstki stany związane Dla cięższych jąder i cząstek  wysokość bariery ponad 20 MeV. Klasyczny opis – emisja czastki  niemożliwa!

Rozpad  G. Gamov (1904 – 1968) – opis kwantowy: cząstka  istnieje wewnątrz studni potencjału cząstka  opisywana funkcją falową może przenikać barierę potencjału w zjawisku tunelowania r V E prawdopodobieństwo emisji: ze wzrostem E maleje wykładnik – silnie rośnie prawdopodobieństwo Rin Rout

Rozpad  monoenergetyczne, E (4 - 9) MeV szeroki zakres czasów, t1/2 (10-7s, 1010 lat) ciężkie jądra, Z > 82 cząstki  są słabo przenikliwe moment pędu cząstki  : | Jp – Jk |  J  Jp + Jk parzystość: Pp / Pk=(-1)J

Rozpad  rozpad w spoczynku:  98% energii unosi cząstka 

szeregi promieniotwórcze 238U 234Th 206Pb Z N 4.51·109 lat 235U 231Th 207Pb Z N 7.15·108 lat    

szeregi (cd) jądro pocz. A t1/2 jądro końc. 23290Th 4n 1.39·1010 228Ra 232Th 208Pb Z N 1.39·1010 lat jądro pocz. A t1/2 jądro końc. 23290Th 4n 1.39·1010 20882Pb 23793Np 4n+1 2.20·106 20983Bi 23892U 4n+2 4.51·109 20682Pb 23592U 4n+3 7.15·108 20782Pb torowy neptunowy uranowo-radowy uranowo-aktynowy

szeregi cd.   N N Z Z 237Np 209Bi 232Th 208Pb 235U 207Pb 238U 206Pb 233Pa 2.3·106 lat N Z  

Równowaga dynamiczna ( równowaga wiekowa gdy t   ) powstawanie jąder Ni rozpad jąder Ni warunki pocz. ( równowaga wiekowa gdy t   ) ustalone aktywności kolejnych członów łańcucha najlżejsze radioaktywne jądro:

Rozpad     +  6429Cu  6430Zn + e + e 6429Cu  6428Ni + e+ + e 6429Cu + ep  6428Ni + e  wychwyt elektronu

Widma beta 6429Cu  6430Zn + e + e 6429Cu  6428Ni + e+ + e 0,2 0,4 0,6 Ee [MeV]

Neutrino trzecia cząstka, neutralna, o bardzo małej (zerowej?) masie. nie gamma, bo spin połówkowy, np. : n  p + e– + ? + liczba leptonowa hipoteza neutrino: W. Pauli (1932), m = 0, J = ½ h/2

detektor neutrin Reinesa – Cowana (eksperymentalny dowód istnienia neutrin 1957)  1.0 MeV + 30 s ~ n e+ p reaktor proces odwrotny ~ + p  n + e+ ( = 10 -19 b)  9.0 MeV Cd scyntylator (1.4 m3) opóźnione koincydencje

słaby rozpad bozon pośredniczący teoria czterofemionowa Oscar Klein (1938) n p e  W bozon pośredniczący n p e  Enrico Fermi (1934) teoria czterofemionowa

Niezachowanie parzystości Parzystość jest zachowana, jeśli nie można odróżnić laboratorium od jego lustrzanego odbicia.

Niezachowanie parzystości odbicie lustrzane „do góry nogami” Lustrzana symetria zachowana odbicie lustrzane „do góry nogami” Lustrzana symetria nie jest zachowana

Niezachowanie parzystości T.D.Lee, C.N.Yang: nie ma podstaw przyjmowania zasady zachowania parzystości w procesach słabych. doświadczenie C.S.Wu (1957): 6027Co  6028Ni +e + ~e stan podstawowy kobaltu JP = 5+, łatwo spolaryzować. P  (r, ,  ) =  (r, -, + ) zachowanie parzystości (r, ,  )2 = (r, -, + )2 jeśli prawdopodobieństwo emisji elektronów f( ) = f(-) to zachowana parzystość. ^

eksperyment C.S.Wu  6027Co 6028Ni 1 2 B 5+ 4+ 2+ 0+ detektory gamma 100% 1 4+ 2+ B E1 = 1173.2 keV 2 fotopowielacz 0+ E2 = 1332.5 keV 6028Ni detektor elektronów źródło 60Co d = 0.05 mm kryształ chłodzący (T = 0.01 K)

Wyniki eksperymentu spin 60Co spin e+ ustawione antyrównolegle… …lub równolegle temperatura

parzystość?

Super-K