Elementy fizyki jądrowej Wykład 1. dr Dorota Wierzuchowska, dw7@onet.eu

      FIZYKA Fizyka (z gr. φύσις physis - "natura") jako nauka o przyrodzie w najszerszym znaczeniu tego słowa jest podstawą wszystkich nauk przyrodniczych. Jest nauką o właściwościach materii i o zjawiskach zachodzących w przyrodzie. Bada fundamentalne i uniwersalne właściwości materii, ogólne prawa, którym podlega przebieg wszelkich procesów.

FIZYKA Fizycy badają właściwości i przemiany materii i energii oraz oddziaływanie między nimi. Do opisu zjawisk fizycznych używają wielkości fizycznych, wyrażonych za pomocą pojęć matematycznych, takich jak liczba, wektor, tensor. Tworząc hipotezy i teorie fizyki, budują relacje pomiędzy wielkościami fizycznymi. Fizyka wyjaśnia podstawowe zależności występujące w przyrodzie.

Wielki Wybuch- BIG BANG G.Gamow, R.Alpher 1947 model powstania Wszechświata uznawany za najbardziej prawdopodobny Według tego modelu ok. 13,73 mld lat temu dokonał się Wielki Wybuch - z bardzo gęstej i gorącej osobliwości początkowej wyłonił się Wszechświat (przestrzeń, czas, materia, energia i oddziaływania).

Pierwsze sekundy życia Wszechświata w chwili narodzin Wszechświat, przy ogromnej temperaturze 1032 kelwinów, był dziesięciowymiarowym tworem, w którym zjednoczone były wszystkie oddziaływania i istniała jedna wielka symetria GUT. Świat ten był jednak niestabilny i po 10-43 sekundy rozpadł się na cztero- i sześciowymiarowy. Sześciowymiarowy zapadł się do rozmiaru 10-32 centymetra, a nasz czterowymiarowy, początkowo o gęstości 1097kg/m3 zaczął się gwałtownie rozszerzać.

Po 10-35 sekundy silne oddziaływania oddzieliły się od elektrosłabych, a niewielki fragment większego wszechświata rozszerzył się 1050 razy, stając się ostatecznie naszym widzialnym Wszechświatem. Takie gwałtowne rozszerzenie opisywane jest przez teorię inflacji kosmologicznej. Po upływie dalszego ułamka sekundy oddziaływania elektrosłabe rozpadły się na elektromagnetyczne i słabe, a następnie, pod koniec pierwszej sekundy, gdy temperatura spadła już do 1014 kelwinów, kwarki zaczęły się łączyć w protony i neutrony i Wszechswiat zbudowany był już z materii (pod postacią plazmy) niewiele różniącej się od obecnie występującej (tworzyły ją protony, neutrony, elektrony, neutrina i fotony). Po ok. 100 s od chwili początkowej zaczęły powstawać jądra złożone (deuter).

Dowody potwierdzające teorię Wielkiego Wybuchu Za hipotezą Wielkiego Wybuchu przemawia wiele danych doświadczalnych - przede wszystkim istnienie praktycznie jednorodnego mikrofalowego promieniowania tła (reliktowe promieniowanie) oraz ciągłe rozszerzanie się wszechświata (przesunięcie ku czerwieni, prawo Hubble’a).

Reliktowe promieniowanie, mikrofalowe promieniowanie tła izotropowe promieniowanie cieplne wszechświata. Promieniowanie reliktowe jest pozostałością po wysokoenergetycznych kwantach gamma wypełniających wczesny Wszechświat wg modelu Wielkiego Wybuchu. Ze względu na znaczną wartość przesunięcia ku czerwieni, energia tych fotonów odpowiada dziś promieniowaniu ciała doskonale czarnego o temperaturze 2,7 K (leży w zakresie mikrofal, maksimum rozkładu odpowiada długości fali 0,1 cm). Istnienie promieniowania reliktowego przewidywał G.A. Gamow oraz astrofizycy amerykańscy z Princeton R.H. Dicke i P.J.E. Peebles, przypadkowo odkryli je A. Penzias i R.W. Wilson (1965, Nagroda Nobla 1978).

Przesunięcie ku czerwieni- z zjawisko obserwowanej doświadczalnie zmiany położenia linii widmowych w widmach elektromagnetycznych odległych obiektów astronomicznych. Zmiana położenia polega na proporcjonalnym przesunięciu z = Δλ/λ całego widma w kierunku dłuższych fal, co dla światła oznacza przesunięcie w kierunku czerwonej części widma (stąd nazwa). Przesunięcie ku czerwieni interpretowane jest jako efekt Dopplera dla fal rozchodzących się w rozszerzającym się wszechświecie (Hubble’a prawo).

Najdalsza zaobserwowana galaktyka widoczna jako blado czerwona smuga. Posiada ona największe przesunięcie ku czerwieni (z = 4,92), jej obraz został zniekształcony poprzez oddziaływanie grawitacyjne pobliskich galaktyk. Zdjęcie z kosmicznego teleskopu Hubble'a. Autor: NASA

Typowe odległości we Wszechświecie Odległość Ziemia-Słońce Jądro atomowe Średnica Ziemi Rok świetlny Wszechświat Człowiek Atom Typowe odległości we Wszechświecie 10-20 10-10 100 1010 1020 1030 Rozmiar [m]

Siły działające w przyrodzie Siła jest to wielkość fizyczna, opisująca wzajemne oddziaływania ciał między sobą. Siłę poznajemy po skutkach jej działania. Siła może spowodować zmianę ruchu (pędu) ciała lub spowodować jego odkształcenie. Źródłem każdej siły rzeczywistej jest ciało materialne.

Są to oddziaływania: grawitacyjne, elektromagnetyczne, Wszystkie znane oddziaływania można sprowadzić do czterech podstawowych (fundamentalnych). Są to oddziaływania: grawitacyjne, elektromagnetyczne, słabe, silne (jądrowe).

Oddziaływania grawitacyjne Wszystkie ciała materialne (masy) wzajemnie się przyciągają. Siły grawitacyjne wiążą gwiazdy w galaktyki, Słońce i planety w Układ Słoneczny, utrzymują Ziemię jako całość. Siły grawitacji są najsłabsze ze wszystkich oddziaływań i są siłami długozasięgowymi. Opisane są przez prawo powszechnego ciążenia.

Prawo powszechnego ciążenia Dwa punkty materialne o masach (grawitacyjnych) m i M przyciągają się wzajemnie siłą grawitacji Fg wprost proporcjonalną do iloczynu mas i odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości r między punktami. G jest stałą grawitacji, Znak „-” oznacza, że wektor Fg ma zwrot przeciwny do wektora r (siła grawitacji jest zawsze siłą przyciągającą)

Oddziaływania elektromagnetyczne Są to oddziaływania między ładunkami znajdującymi się w spoczynku lub w ruchu. Ładunki różnoimienne przyciągają się, a jednoimienne odpychają się. Siły elektromagnetyczne wiążą elektrony w atomach, atomy w cząsteczkach, cząsteczki w ciałach makroskopowych; odgrywają dominująca rolę w takich zjawiskach jak tarcie, spójność, sprężystość. Są siłami długozasięgowymi.

Prawo Coulomba Dwa punktowe i nieruchome ładunki elektryczne q i Q działają na siebie siłą wprost proporcjonalną do iloczynu tych ładunków, a odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości r między nimi: eo jest przenikalnością elektryczną próżni

Siła magnetyczna Na ładunek poruszający się względem innych poruszających się ładunków (np. prądu elektrycznego) działa (niezależnie od siły elektrycznej) siła prostopadła do jego prędkości. Wektor B jest to indukcja pola magnetycznego.

Oddziaływania słabe Są odpowiedzialne za rozpad b jąder promieniotwórczych i za rozpad wielu cząstek elementarnych występujących w przyrodzie. Oddziaływania krótkozasięgowe, na odległości rzędu 10-18m. Nie tworzą układów związanych.

Oddziaływania silne 2 rzędy wielkości od elektromagnetycznych Wiążą ze sobą m. in. nukleony w jądrze atomowym. Oddziaływania o bardzo małym zasięgu działania. Najsilniejsze ze wszystkich oddziaływań, większe o: 2 rzędy wielkości od elektromagnetycznych 5 rzędów od słabych, 40 rzędów od grawitacyjnych.

Siły jądrowe Mają krótki zasięg, do 2x10-15m, dla odległości mniejszych niż 10-15m są siłami odpychającymi, powyżej-przyciągającymi. Nie są centralne, zależą również od orientacji spinów Mają właściwość „wysycania” Wielkość tych sił prawie nie zależy od ładunku

Pola sił Siły, z którymi się spotykamy działają w określonej przestrzeni. Na ciało umieszczone w dowolnym punkcie tej przestrzeni działają określone siły. Obszar, w którym w każdym punkcie określona jest siła działająca na ciało, nazywamy polem sił. Każda cząstka wytwarza wokół siebie pole i poprzez to pole oddziałuje na inne cząstki. Masy wytwarzają wokół siebie pole grawitacyjne, a ładunki pola elektromagnetyczne.

GUT- Grand Unified Theory teoria wielkiej unifikacji teoria scalająca oddziaływania elektrosłabe (unifikacja mała) i oddziaływanie silne. Przy dużych energiach rzędu 1015 GeV wszystkie rodzaje oddziaływania mikrocząstek (bez grawitacji) nie różnię się od siebie. Niekiedy mianem unifikacji wielkiej określa się nie istniejącą obecnie teorię jednoczącą wszystkie oddziaływania fizyczne (wraz z grawitacją), teoria taka, określana też jako "teoria wszystkiego" (z angielskiego theory of everything: TOE), odnosiłaby się do energii większych 10 000 razy od 1015 GeV (masa Plancka)

Cząstki elementarne Cząstki będące podstawowym budulcem materii, czyli najmniejszymi, niepodzielnymi i nieposiadającymi wewnętrznej struktury.

Elektronowolt Elektronowolt (eV) – jednostka energii stosowana w fizyce. Jeden elektronowolt jest to energia, jaką uzyskuje elektron będąc przyspieszonym różnicą potencjałów równą 1 woltowi: 1eV=1e · 1V ≈ 1,602 176 53 ×10-19 J 1 J ≈ 6,241 509 47(53) ×1018 eV

SPIN Spin jest to własny, nie wynikający z ruchu danej cząstki względem innych cząstek, lecz tylko z samej natury tej cząstki, moment pędu w układzie, w którym ona spoczywa. Dla elektronu, protonu czy neutronu liczba ta jest oznaczana symbolem "s" i może przyjmować wartość ułamkową ½.

Nośniki oddziaływań Wg. teorii kwantowych oddziaływania są przenoszone przez cząstki o spinie całkowitym zwane nośnikami lub kwantami oddziaływań. Oddziaływania elementarne przenoszone są przez cząstki rzeczywiste: elektromagnetyczne-kwanty gamma o zerowej masie słabe- bozony pośredniczące o masie sto razy większej od masy protonu silne- gluony grawitacyjne- nie odkryte jeszcze grawitony z polem Higgsa- „boskie” cząstki Higgsa

Cząstki materii Leptony o spinie połówkowym NIE uczestniczące w oddziaływaniach silnych np. elektron, neutrina, Hadrony oddziałujące silnie (np. proton, neutron), o spinie połówkowym są barionami, a piony (+,-,0) o spinie całkowitym są mezonami.

Hadrony Hadrony składają się z kwarków (6 różnych) i antykwarków. W zakresie niskich i średnich energii nie ma potrzeby uwzględniania struktury hadronów, można je wiec uważać za „elementarne”. W odróżnieniu od nich kwarki są cząstkami „fundamentalnymi”.

Kwarki Są fermionami, mają spin połówkowy Mają ułamkowy ładunek elektryczny Nie występują pojedynczo- są „uwiązane”

Cząstki Higgsa zgodnie z Modelem Standardowym, cząstki występujące w przyrodzie - kwarki i leptony - posiadają masę dzięki oddziaływaniu z polem Higgsa, jakby rodzajem "oporów ruchu", którego nośnikami są bozony Higgsa. jeżeli cząstka Higgsa istnieje, to jej energia przekracza 114 GeV.

Proton Przyjmuje się, że proton posiada elementarny, dodatni ładunek elektryczny i masę atomową równą 1, zapisywany jako +p1 lub H+. Masa spoczynkowa: mp = 1,67262171(29) x 10 -27 kg = 938,272029(80) MeV/c² = 1,00727646688 u Spin: 1/2 Samotny proton to jądro 1H, proton związany z neutronem to jądro deuteru - ²H (deuteron). Liczba protonów w jądrze danego atomu to jego liczba atomowa,

Neutron Neutron (z łac neuter "obojętny" ) jest obojętny elektrycznie. masa spoczynkowa wynosi ok. 1,00866491578 u, czyli 1,6749272 x 10-27 kg (jest nieco większa od masy protonu). Spin: 1/2 Neutrony występujące poza jądrem nie są stabilne, ale rozpadają się bardzo wolno (jak na cząstkę subatomową), jego średni czas życia to 885,7 s (ok. 15 min.): Według tego schematu zachodzi rozpad promieniotwórczy "beta".

Jądro atomowe Jest układem nukleonów- protonów i neutronów. Liczba protonów określa ładunek elektryczny jądra, decyduje o tym jakiego pierwiastka chemicznego jest to atom i o przebiegu reakcji chemicznych. Liczba neutronów ma pewien wpływ na przebieg reakcji chemicznych poprzez tzw. efekt izotopowy, różne izotopy tego samego pierwiastka mają nieco inne własności chemiczne i fizyczne.

Jądro atomowe zX A –liczba nukleonów w jądrze Z –liczba protonów w jądrze

Tabela nuklidów przedstawia graficznie wszystkie znane nuklidy (jądra atomowe) o określonej liczbie protonów i neutronów. Izotopy-atomy danego pierwiastka różniące się liczbami masowymi. Izobary-atomy o tej samej liczbie masowej Izotony-atomy o tej samej liczbie neutronów Izomery- atomy o identycznej liczbie protonów i neutronów, jednakże różniące się stanem kwantowym

Modele jądrowe Kroplowy-jądra są kuliste jak krople cieczy, nukleony w jądrze zachowują się jak cząsteczki w cieczy. Powłokowy-nukleony wewnątrz jądra mogą przyjmować tylko stany energetyczne zgodne z energiami kolejnych powłok. Kolektywny-nukleony łączą się w grupy tworząc nowe cząstki wewnątrz jądra

ΔE= Δmc2={[Zmp + (A-Z)mn]-mj}c2 Deficyt masy Deficyt masy (niedobór masy, defekt masy) - różnica Δm między sumą mas nukleonów wchodzących w skład jądra atomowego, a masą jądra. Iloczyn niedoboru masy i kwadratu prędkości światła w próżni jest równy energii wiązania jądra ΔE= Δmc2={[Zmp + (A-Z)mn]-mj}c2 gdzie: nuklid zawierający N neutronów i Z protonów (N+Z = A) mp=1,00727 - masa protonu w jednostkach masy atomowej mn=1,00866 - masa neutronu mj - masa jądra nuklidu c = 3·108 m/s - prędkość światła w próżni

Energia wiązania

Reakcje jądrowe Reakcja fuzji termojądrowej, jądra deuteru i trytu łączą się, powstaje jądro helu, neutron i wydzielana jest energia.

Promieniotwórczość Reakcje jądrowe spontaniczne- promieniotwórczość naturalna Reakcje jądrowe wymuszone- promieniotwórczość „sztuczna”

Prawo rozpadu promieniotwórczego Dla każdego jądra promieniotwórczego istnieje określone prawdopodobieństwo l, że ulegnie ono przemianie promieniotwórczej w danym czasie. Liczba atomów dN, które rozpadną się w ciągu krótkiego czasu dt wynosi: dN=- Nl dt Jeżeli No to liczba atomów w chwili t=0, to po czasie t pozostanie N atomów jakie się nie rozpadły N(t)= Noe- lt

Okres połowicznego rozpadu Jest to czas T po jakim rozpadnie się połowa jąder istniejących w chwili czasu t=0. No/2= Noe- lT T=ln2/l= 0.693/l T zawiera się w granicach od 3x10-7s do 1,4x1027 lat

Aktywność A Aktywność jest to liczba przemian jądrowych DN zachodzących w czasie Dt A=DN/Dt Jednostką aktywności w układzie SI jest jeden bekerel -Bq. Aktywność 1Bq ma preparat w którym zachodzi w czasie 1 sekundy jeden rozpad promieniotwórczy

Rozpad alfa Rozpad alfa (przemiana α) - przemiana jądrowa, w której emitowana jest cząstka α (jądro helu 42He2+). Strumień emitowanych cząstek alfa przez rozpadające się jądra to promieniowanie alfa. W wyniku tej reakcji powstające jądro ma liczbę atomową mniejszą o 2, a liczbę masową o 4 od rozpadającego się jądra.

Rozpad beta Rozpad beta to przemiana nukleonu w inny nukleon, zachodząca pod wpływem oddziaływania słabego. Wyróżniamy następujące rodzaje tego rozpadu: rozpad β − (beta minus) rozpad β + (beta plus) wychwyt K.

Rozpad beta minus Rozpad β- - polega na przemianie neutronu w proton z emisją elektronu i antyneutrina elektronowego według schematu:

Rozpad beta plus Rozpad β − polega na przemianie protonu w neutron z emisją pozytonu i neutrina elektronowego według schematu:

Wychwyt K Wychwyt elektronu - przemiana jądrowa, w której jeden z elektronów atomu jest przechwytywany przez proton z jądra atomowego, w wyniku czego powstaje neutron (pozostający w jądrze) i neutrino elektronowe, które jest emitowane.

Promieniowanie gamma Promieniowanie gamma to wysokoenergetyczna forma promieniowania elektromagnetycznego powstające w wyniku przemian jądrowych, o energii kwantu większej od 10 keV, co odpowiada częstotliwości większej od 2,42EHz (eksaherc 1018 herca), a długości fali mniejszej od 124 pm, jonizujące i przenikliwe. Zakres ten częściowo pokrywa się z zakresem promieniowania rentgenowskiego.

Przenikliwość promieniowania b g gggg

Promieniowanie jonizujące wszystkie rodzaje promieniowania, które wywołują jonizację ośrodka materialnego, tj. oderwanie przynajmniej jednego elektronu od atomu lub cząsteczki albo wybicie go ze struktury krystalicznej. Promieniowania alfa, beta, gamma oraz promieniowanie elektromagnetyczne o energii większej od energii światła widzialnego.

Oddziaływanie promieniowania elektromagnetycznego z materią Jonizacja Wzbudzenie optyczne (fluorescencja i fosforescencja) wtórne rentgenowskie promieniowanie charakterystyczne Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne i wewnętrzne Zjawisko Comptona Rozpraszanie Tworzenie par

Oddziaływanie promieniowania korpuskularnego z materią Cząstki naładowane: Jonizacja bezpośrednia poprzez oddziaływania kulombowskie Wzbudzenie optyczne i rentgenowskie Cząstki nienaładowane: Jonizacja wtórna Powstawanie jonizujących jąder odrzutu Zapoczątkowanie reakcji rozszczepienia, rozpraszanie niesprężyste, wychwyt

Wielki Zderzacz Hadronów Large Hadron Collider Przewiduje się, że LHC umożliwi odkrycie bozonu Higgsa, który uczestniczy w nadawaniu mas cząstkom elementarnym, oraz cząstek tworzących ciemną materię, którymi być może będą cząstki supersymetryczne. największy na świecie akcelerator cząstek (hadronów), znajdujący się w Europejskim Ośrodku Badań Jądrowych CERN w pobliżu Genewy.

Komputerowa symulacja wyniku zderzenia cząstek.