Jądro atomowe - główny przedmiot zainteresowania fizyki jądrowej Jądro atomowe – zespół A nukleonów Jądro atomowe dla A > 1 - nuklid Nukleon – proton (q = e) lub neutron (q = 0) Swobodny proton jest trwały a neutron nie. Liczba nukleonów – A – liczba masowa Liczba protonów – Z – liczba atomowa albo porządkowa Liczba neutronów – N = A - Z  

Np. jądro atomu węgla (Z = 6 elektronów na orbitach), które zawiera A = 12 nukleonów (w tym Z = 6 protonów) oznaczamy następująco: (czytamy C – 12)

W jądrze występują wszystkie rodzaje oddziaływań fundamentalnych: 1 W jądrze występują wszystkie rodzaje oddziaływań fundamentalnych: 1. Grawitacyjne (grawiton), ~ r-2 (daleko-zasięgowe), 10-40 2. Słabe (W+, W-, Z), krótko-zasięgowe, 10-7 3. Elektromagnetyczne (foton), ~ r-2 (daleko-zasięgowe), 1 4. Silne (gluon), daleko-zasięgowe, 102 Między nukleonami w jądrze – występują krótko-zasięgowe oddziaływania jądrowe - szczątkowe oddziałania silne, w których pośredniczą mezony pi, 20

Nukleony (składniki jądra) wśród cząstek elementarnych 1 Nukleony (składniki jądra) wśród cząstek elementarnych 1. Leptony (nie oddziaływują silnie) – np. elektron 2. Hadrony (oddziaływują silnie) – mają wewnętrzną strukturę a) bariony – np. proton, neutron, (3 kwarki) b) mezony – np. pi, (2 kwarki) 3. Nośniki oddziaływań

Cząstki fundamentalne - fermiony tworzące materię

Cząstki nośniki oddziaływań fundamentalnych

Przykładowe hadrony

Narodziny fizyki jądrowej – 1911 rok (1871 – 1937)

1895 – elektron, Joseph John Thomson (1856-1940) 1896 – naturalna promieniotwórczość, Antoine, Henri Becquerel (1852-1908) 1904 – model atomu Thomsona 1905 – pojęcie kwantu światła – foton, Albert Einstein (1879-1955)

Ernest Rutherford – 1911 Hans Wilhelm Geiger i Ernest Marsden a) Schemat komory rozproszeń.

Model atomu J.J. Thomsona – 1904 rok

Model planetarny atomu – nie wyjaśniał: a) dyskretności widm atomowych b) trwałości atomu.

1913 – model atomu (wodoru) Bohra

1919 – proton, E. Rutherford – model protonowo-elektronowy budowy jądra: A protonów i A-Z elektronów; nie wyjaśniał np. obserwowanych momentów magnetycznych () jąder ( protonu ok. 650 razy mniejszy od  elektronu !) 1920 – postulat istnienia neutronu, E. Rutherford 1932 – neutron, James Chadwick – model protonowo-neutronowy budowy jądra (D.D. Iwanienko – W. Heisenberg)

Budowa i własności jąder atomowych w stanie podstawowym. Jądro atomowe – zespół A nukleonów Jądro atomowe dla A > 1 - nuklid Nukleon – proton (q = e) lub neutron (q = 0) Swobodny proton jest trwały a neutron nie. Liczba nukleonów – A – liczba masowa Liczba protonów – Z – liczba atomowa albo porządkowa Liczba neutronów – N = A - Z  

(dotyczy nuklidu i atomu) Izotopy – takie same Z Izobary – takie same A Izotony – takie same N (dotyczy nuklidu i atomu)

Nukleon jest barionem i jego liczba barionowa B = 1. w konsekwencji liczba barionowa nuklidu B = A.

Nukleon jest fermionem czyli jego spin (liczba spinowa własnego momentu pędu) jest połówkowy (nieparzysta wielokrotność liczby ½) - wynosi ½. Spin I nuklidu zależy od liczby jego protonów i neutronów: I = 0 gdy Z-p i N-p (A-p) I = 1, 2, …, 7 gdy Z-n i N-n (A-p) I = 1/2, 3/2, …, 9/2 gdy Z-p a N-n lub Z-n a N-p (A-n)

> 0 gdy I całkowite (A-p) > 0 lub < 0 gdy I połówkowe (A-n) Spin I jądra jest związany z jego momentem magnetycznym gdzie jest stałą giromagnetyczną. = 0 gdy I = 0 (A-p) > 0 gdy I całkowite (A-p) > 0 lub < 0 gdy I połówkowe (A-n) Moment magnetyczny jądra jest znacznie mniejszy od momentu magnetycznego powłoki elektronowej ponieważ moment magnetyczny pojedynczego nukleonu jest kilkaset razy mniejszy od momentu magnetycznego elektronu .

- magneton jądrowy - magneton Bohra

Izospin został wprowadzony przez Heisenberga. Nukleony są dwojakiego rodzaju – obdarzone dodatnim ładunkiem elementarnym (protony) i elektrycznie obojętne (neutrony). Proton i neutron tworzą elementarną, dwuskładnikową rodzinę cząstek, której przypisuje się spin izotopowy – izospin T = 1/2. Izospin został wprowadzony przez Heisenberga. Wektor izospinu może mieć w abstrakcyjnej przestrzeni (na wzór wektora spinu) 2T + 1 rzutów T3 na wyróżniony kierunek czyli dla T=1/2 występują dwa różne rzuty (+1/2 i 1/2) wektora T na wyróżniony kierunek. Przyjmuje się, że T3 = 1/2 dla protonu i T3 = 1/2 dla neutronu. T3 dla nuklidu wynosi (1/2)Z – (1/2)(A  Z) = (2Z A)/2 albo (Z-A/2) Przyjmuje się, że dla trwałych nuklidów T = T3 = Z-A/2

P = +1 gdy (-x,-y,-z) = (x,y,z)

Kształt jądra atomowego jest w przybliżeniu kulisty. Wynika to z badań dotyczących: a) jąder zwierciadlanych, b) atomów egzotycznych, c) rozpraszania elektronów na jądrach atomowych, d) rozpraszania hadronów.

Określenie promienia jądra na podstawie widm atomów mionowych:

Promień jądra R można powiązać z liczbą masową A: gdzie wynosi 1,21 fm (promień potencjałowy – hadrony) [promień ładunkowy dla = 1,07 fm – elektrony]

Rozkład gęstości materii jądrowej a  0,55 fm , t  2,4 fm ,

Moment kwadrupolowy jądra. Ładunek jądra q = Ze Moment kwadrupolowy jądra. Moment kwadrupolowy eQ dla osiowo symetrycznego rozkładu ładunku (np. w kształcie elipsoidy obrotowej o półosiach a i b): - rozkład gęstości ładunku w jądrze

eQ = 0 dla I = 0 lub ½, w szczególności gdy a) eQ > 0 dla elipsoidy w kształcie cygara b) eQ < 0 dla elipsoidy w kształcie dysku Maksymalna wartość b/a = 1,17 eQ = 0 dla I = 0 lub ½, w szczególności gdy Z lub N równa się 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 (liczby magiczne). Zależność momentu kwadrupolowego jądra od liczby protonów lub neutronów.

Energia wiązania nuklidu o masie > 0 dla stabilnych nuklidów (ok. 265): (wodór) 1  Z  83 (bizmut), bez Z=48 (technet) i Z=61 (promet) Stabilne nuklidy: 160 – p-p, 50 – n-p, 50 – p-n, 5 – n-n

N/Z = 11,6 Ścieżka stabilności

Lokalne ekstrema gdy Z lub N wynosi: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 (liczby magiczne).