FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych

Prezentacja na temat: "FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych"— Zapis prezentacji:

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

2

3 Odkrycie jądra atomowego
Rutherford (1911) Ernest Rutherford ( ) 1908 R  10 fm

4 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!

5 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

6 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)

7 Masy obiektów subatomowych
Masy wyrażamy w jednostkach energii: Jednostka energii – elektronowolt: 1eV = 1,602  C  V = 1,602  J Jednostka masy: MeV/c2 lub MeV (c = 1) Masy nuklidów wyrażamy w atomowych jednostkach masy u: 1 u = masy obojętnego atomu węgla

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

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

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

11 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.

12 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

13 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

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

15 Świat jądrowy Skala gęstości w mikro- i makroświecie:
ładunek: q = Ze e = 1.6 · 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

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

17 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!

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

19 ścieżka stabilności + gwiazdy neutronowe

20

21 Jądra superciężkie IUPAC 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

22 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

23 Nuklidy nuklidy izotopy izobary izotony izomery wzbudzenie

24 Masy jąder

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

26 Aston 1919 Francis Aston 1922 od 1919 zidentyfikował i zmierzył masy 212 izotopów...

27 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

28 Defekt masy (cd) kolaps jądrowy...

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

30 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

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

32 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] N=50 Z=50 N=82 Z=28 Z=82N=126 Z=20N=20 N=28 Z=8N=8 Z=2N=2