1 FIZYKA dla studentów POLIGRAFII Jądro atomowe

2 Jądro atomowe Doświadczenie RutherfordaNa jaką odległość może zbliżyć się do jądra cząstka ? Wzór słuszny dla r > R, gdzie R – promień jądra.

3 Jądro atomowe Dla jądra węgla: Ek = 5.1MeV, R = 3.4*10-15mDla jądra aluminium: Ek = 9.0MeV, R = 4.1*10-15m Rozmiar jądra: 10-15m Rozmiar atomu: 10-10m

4 Jądro atomowe Masę jądra można wyznaczyć za pomocą spektrometru masowego Wiązka jonów przyspieszana jest najpierw w polu elektrycznym określonym przez różnicę potencjałów U, a następnie zakrzywiana w jednorodnym polu magnetycznym o indukcji B, prostopadłym do kierunku ruch jonów.

5 Jądro atomowe Ładunek jądra = n·e+Masa jądra około dwukrotnie większa niż masa protonów. Nukleony – protony i neutrony Nuklidy o tej samej liczbie Z tj. liczbie protonów - to izotopy, Nuklidy o tej samej liczbie N tj. liczbie neutronów - to izotony, Nuklidy o tej samej liczbie A tj. liczbie nukleonów - to izobary

6 Jądro atomowe Gęstość materii jądrowejmasa 1 cm3 materii jądrowej wynosi ok. 230 milionów ton Gęstość materii jądrowej Wzór Fermiego:

7 Defekt masy Masa jądra Energia wiązania Suma mas neutronów i protonów

8 Energia jądrowa rozszczepienie synteza jądrowa

9 Spin jądra Spin jądra  jest sumą wektorową spinów poszczególnych nukleonów oraz ich momentów orbitalnych. Spiny jąder zawierających parzystą liczbę nukleonów są całkowite (równe są całkowitej wielokrotności stałej Plancka) Spiny jąder, w których liczba protonów jak i liczba neutronów jest podzielna przez dwa, tzn. obie liczby są parzyste - są  równe zeru. Spiny jąder o nieparzystej liczbie nukleonów są połówkowe (równe są nieparzystej wielokrotności połowy stałej Plancka)

10 Siły jądrowe niezależne od ładunku elektrycznegokrótkozasięgowe. (zasięg rzędu metra) własność wysycania (każdy nukleon oddziałuje tylko z najbliższymi sąsiadami) siły jądrowe zależne są od wzajemnej orientacji spinów nukleonów (nie są siłami centralnymi)

11 Model kroplowy  równe jest zeru dla jąder o A nieparzystym, dodatnie dla jąder parzysto-parzystych i ujemne dla jąder nieparzysto-nieparzystych.

12 Model gazu Fermiego Bariera kulombowska Poziomy energetyczne

13 Model powłokowy Jądra podwójnie magiczne:

14 Model powłokowy Jądra podwójnie magiczne

15 Przemiany jądrowe Przemiana : Przemiana :

16 Przemiany jądrowe

17 Przemiana beta

18 Przemiany jądrowe Przemiana : Proces statystyczny:

19 Przemiany jądrowe Ile jąder zostanie? Czas połowicznego zaniku:

20 Przemiany jądrowe Aktywność źródła: Bekerel Bq – 1 rozpad na sekundęDatowanie promieniotwórcze

21 Szeregi promieniotwórczePo

22 Szeregi promieniotwórczeNazwa szeregu A Izotop początkowy Izotop końcowy T1/2, lat torowy 4n 23290Th 20882Pb 1.4*1010 neptunowy 4n+1 23793Np 20983Bi 2.2*106 uranowo-radowy 4n+2 23892U 20682Pb 4.5*109 uranowo-aktynowy 4n+3 23592U 20782Pb 7.2*108

23 Reakcje jądrowe Rozpraszanie sprężyste: Rozpraszanie niesprężyste:Reakcja właściwa:

24 Reakcje jądrowe Q > 0 – reakcja egzotermicznaZasada zachowania energii: Q > 0 – reakcja egzotermiczna Q < 0 – reakcja endotermiczna Energia progowa

25 Reakcja rozszczepienia

26 Reakcja rozszczepienia

27 Reakcja rozszczepienia

28 Reaktor jądrowy 1. Pręty paliwowe – materiał rozszczepialny3. Kanał chłodzenia - ciekły sód lub woda 4. Pręty regulacyjne (kadm pochłania neutrony - ma spowalniać lub przyspieszać reakcję) 2. Moderator ( spowalnia neutrony) - grafit lub tzw. ciężka woda

29

30 Antycząstki P.A.M.Dirac (1928) – relatywistyczne równanie faloweenergia: mc2 -mc2 cząstka (elektron) dziura (pozyton)

31 kreacja pary foton pozyton elektron hmin = 2mec2  1.02 MeV

32 anihilacja elektron  pozyton fotonZnikają elektron i pozyton, pojawiają się 2 fotony (E  0.5 MeV)

33 Każdej cząstce odpowiada antycząstkaModel Standardowy Do chwili obecnej odkryto około dwieście cząstek (z których większość nie jest cząstkami elementarnymi). Model Standardowy – teoria opisująca wszystkie cząstki i oddziaływania między nimi za pomocą: 6 kwarków 6 leptonów cząstek przenoszących oddziaływania Każdej cząstce odpowiada antycząstka

34 kwarki (spin = ½) i leptony (spin = ½)aromat (flavour) masa [MeV] ładunek lepton u – up górny 1.5  4.5 +2/3 e - elektron  =  0.511 -1 d – down dolny 5.0  8.5 -1/3 ν - neutrino elektronowe < 3.010-6 c – charm powabny 1.0  1.4 103 μ -mion  = 2.20·10-6 s 105.7 s – strange dziwny 80  155 νμ – neutrino mionowe < 0.19 t – top wierzchni 174. 103 τ - taon  = 2.91·10-13 s 1777.0 b – bottom spodni 4.0  4.5 103 ντ – neutrino taonowe < 18.2 PPb 2002

35 Hadrony Z kwarków zbudowane są hadrony: z trzech kwarków – barionyz kwarku i antykwarku - mezony

36 Bariony Większość masy hadronu to energia wiązania kwarków.

37 Mezony

38 Leptony Leptony = (e, e), (,  ), (,  ) + antycząstkisą fermionami oddziałujacymi słabo, Liczba leptonowa: Le L L e, e +1 ,  ,  e+,e 1 +, +, inne

39 Oddziaływania Wirtualne cząstki przenoszące oddziaływanieZasada nieoznaczoności: czas 1 cząstka wysyła i pochłania cząstki wirtualne 1 cząstka wysyła, a 2 cząstka pochłania cząstki wirtualne

40 Oddziaływania grawit. elektrosłabe silne (kolorowe) grawiton (?)masa [GeV] ładunek γ W+ W- Zo g - gluon superoktet SU(3) 8 stanów koloru