FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych Wykład 3 – modele jądrowe cd.

Rozpad A-4 Z-2 Y AZXAZX I E 241 Am 237 Np parcjalne czasy życia:

Rozpad Korelacja między czasami życia a energiami cząstek logE logT 1/2

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

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

Rozpad monoenergetyczne, E (4 - 9) MeV szeroki zakres czasów, t 1/2 (10 -7 s, lat) ciężkie jądra, Z > 82 cząstki są sł abo przenikliwe moment pędu cząstki : | J p – J k | J J p + J k parzystość: P p / P k =(-1) J

Rozpad rozpad w spoczynku: 98% energii unosi cząstka

Rozpad Cu Ni + e + + e 64 Cu 64 Ni e+e+ e Cu Zn + e + e 64 Cu 64 Zn e-e- e 64 Cu 64 Ni e Cu + e p Ni + e wychwyt elektronu

Widma beta Cu Zn + e + e Cu Ni + e + + e E e [MeV] 0,20,40,6

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

~ + p n + e + ( = b) detektor neutrin Reinesa – Cowana proces odwrotny 1.0 MeV + 30 s ~ n e+e+ p reaktor 9.0 MeV Cd scyntylator (1.4 m 3 ) opóźnione koincydencje (eksperymentalny dowód istnienia neutrin 1957)

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

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

Niezachowanie parzystości do góry nogami odbicie lustrzane do góry nogami Lustrzana symetria zachowana 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): Co Ni +e + ~ e stan podstawowy kobaltu J P = 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 fotopowielacz detektor elektronów detektory gamma źródło 60 Co d = 0.05 mm kryształ chłodzący (T = 0.01 K) B Co Ni E 1 = keV E 2 = keV 100%

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

parzystość ?

Super-K

238 U 234 Th 206 Pb Z N 4.51·10 9 lat szeregi promieniotwórcze 235 U 231 Th 207 Pb Z N 7.15·10 8 lat

228 Ra 232 Th 208 Pb Z N 1.39·10 10 lat szeregi (cd) jądro pocz. At 1/2 jądro końc Th4n1.39· Pb Np4n+12.20· Bi U4n+24.51· Pb U4n+37.15· Pb torowy neptunowy uranowo-radowy uranowo-aktynowy

237 Np 209 Bi 233 Pa 2.3·10 6 lat N Z 237 Np 209 Bi 232 Th 208 Pb 235 U 207 Pb 238 U 206 Pb N Z szeregi cd.

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

Oddziaływania wymienne Wirtualne cząstki przenoszące oddziaływanie Zasada nieoznaczoności: czas 1 cząstka wysyła i pochłania cząstki wirtualne 1 cząstka wysyła, a 2 cząstka pochłania cząstki wirtualne Próżnia wypełniona jest powstającymi i znikającymi cząstkami wirtualnymi.

M ezonowa teoria si ł jądrowych Yukawa 1935 analog elektrodynamiki kwantowej oddziaływanie wymienne kwant pola silnego zasięg (średnia odległość nukleon-nukleon w jądrze) Hideki Yukawa 1907 – 1981 N – 1949

wirtualne mezony (piony) Mezonowa teoria sił jądrowych zasięg oddziaływania: energia spoczynkowa cząstki wirtualnej:

Modele model cząstki niezależnej - nukleon porusza się w uśrednionym polu pozostałych nukleonów model kolektywny - oddziaływania między nukleonami tak silne, że ich ruchy są całkowicie skorelowane model gazu Fermiego model powłokowy model kroplowy

Model kroplowy R = r 0 · A 1/3 r 0 = 1.2 fm 0 = 0.17 fm -1/3 średnia odległość między nukleonami: d 0 = 0 -1/3 = 1.8 fm energia wiązania ~ A nieściśliwość kropla

Energia wiązania energia objętościowa: a V = const energia powierzchniowa: a S = const energia kulombowska: a C = const

Energia wiązania energia asymetrii: a A = const znika dla N = Z energia dwójkowania: = const dla jąder parzysto- parzystych dla jąder nieparzysto- nieparzystych dla A nieparzystych

C. F. von Weizsäcker i N. Bohr : półempiryczny wzór na energię wiązania: E B = E V + E S + E C + E A + E P + E M a V = MeV a S = MeV a C = 0.71 MeV a A = MeV = MeV po dopasowaniu do ponad 1200 nuklidów:

czy to działa?