FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych

Transkrypt

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

2

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

4 Skala przestrzenna jądro człowiek do Słońca atom Ziemia Wszechświat 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: E mc 1eV = 1, C V = 1, J Jednostka masy: MeV/c lub MeV (c = 1) Masy nuklidów wyrażamy w atomowych jednostkach masy u: u = masy obojętnego atomu węgla 1 C 7 1u , 10 kg , MeV c 6

8 Kinematyka relatywistyczna energia kinetyczna E k mc m c 0 energia całkowita energia spoczynkowa E m c pc 0 energia całkowita energia spoczynkowa pęd

9 Falowe własności materii Długość fali de Broglie a: h p Zasada nieoznaczności: p x

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

11 Rozmiar jądra Wzór słuszny dla r > R, gdzie R promień jądra. Na jaką odległość może zbliżyć się do jądra cząstka? r Q q v m E N k r e Z E k 0 większa energia

12 60 o 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 R Z e 0 E k Dla jądra węgla: E k = 5,1MeV Dla jądra aluminium: E k = 9,0MeV R = 3, m R = 4, m Rozmiar jądra: m Rozmiar atomu: m

14 Pustka materii elektrony jądro piłka o średnicy 10 cm Rozmiar jądra: m Rozmiar atomu: m

15 Świat jądrowy ładunek: q = Ze e = C energia jonizacji atomu wodoru 13.6 ev energia separacji nukleonu z jądra 8.5 MeV Skala gęstości w mikro- i makroświecie: materia jądrowa ciało stałe biały karzeł gwiazda neutronowa czarna dziura gęstość [g/cm 3 ]

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 Δx 1 fm Δp 00 MeV/c Δx ΔE 00 MeV zasada nieoznaczoności (masa elektronu 0.5 MeV) Eβ < 10 MeV więc nie! oraz analiza spinów jąder np: spin jądra 14 7N jest całkowity (eksperyment) podczas, gdy suma spinów (połówkowych) 14 protonów i 7 elektronów byłaby połówkowa!

18 Nuklidy A Z X N 8 4 Be 1 1 H 56 6 Fe 08 8 Pb X - symbol pierwiastka A - liczba masowa Z - liczba atomowa N - liczba neutronowa

19 ścieżka stabilności + gwiazdy neutronowe

20

21 Jądra superciężkie IUPAC 101 Mendelevium Md 10 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 74 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 Z parz H 6 3Li 10 5B N 14 7

23 Nuklidy nuklidy A Z X Au izotopy A Z X, A' Z X 1 1 H, 1 H, 3 1 H izobary A Z X, A Z' X 14 6 C, 14 7 N, 14 8 O izotony A Z X, Am Z m X 6 He, 7 3 Li, 8 4 Be, 9 5 B izomery A Z X, A Z X * wzbudzenie

24 Masy jąder

25 Spektrometr masowy qe qvb detektor v E / B B mv / r r mv / qb qvb źródło jonów E B selektor prędkości selektor pędu m qrb / E separacja izotopów...

26 Aston 1919 Francis Aston od 1919 zidentyfikował i zmierzył masy 1 izotopów...

27 Defekt masy m masa jądra m p masa protonu (938.3 MeV) m n masa neutronu (939.6 MeV) defekt masy: m c = [Z m p + (A Z) m n m] c > 0 energia wiązania: E B = m c E B / A 8.5 MeV

28 Spin Moment pędu L (klasycznie) Spin wewnętrzny moment pędu cząstki własnośd kwantowa przybiera wartości równe wielokrotności wyrażamy w jednostkach : s 1,,,

29 Spin Ustawienie wektora spinu nie jest dowolne kwantyzacja przestrzenna Liczba stanów (możliwych ustawieo) wektora spinu s : s 1 Np. dla s = ½ liczba stanów = dla s = 1 liczba stanów = 3

30 Bozony i fermiony Bozony cząstki o spinie całkowitym (0, 1,, 3, ) np. fotony, bozony W i Z Fermiony cząstki o spinie ułamkowym (1/, 3/, 5/, np. elektrony, protony, neutrony Fermiony podlegają zakazowi Pauliego: Dwa fermiony nie mogą znajdowad się w tym samym stanie kwantowym