Rozpad alfa. albo od stanów wzbudzonych (np. po rozpadzie beta) są to tzw. długozasięgowe cząstki alfa

Transkrypt

1 Rozpad alfa Samorzutny rozpad jądra (Z,A) na cząstkę α i jądro (Z-2,A-4) tj. rozpad 2-ciałowy, stąd Widmo cząstek α jest dyskretne bo przejścia zachodzą między określonymi stanami jądra początkowego i końcowego (struktura subtelna widma α) albo od stanu podstawowego albo od stanów wzbudzonych (np. po rozpadzie beta) są to tzw. długozasięgowe cząstki alfa Wykład 4 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 1

2 Reguły wyboru w rozpadzie alfa Ponieważ cząstka alfa ma spin zerowy i parzystość dodatnią (0 + ) a przejścia zachodzą między stanami o określonym spinie i parzystości prawo zachowania parzystości wymaga aby ( jest krętem orbitalnym cząstki alfa) zachowanie całkowitego krętu prowadzi do ograniczenia wzbronienie niektórych przejść, n.p czy Wykład 4 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 2

3 Szeregi rozpadów alfa Ponieważ tylko rozpady alfa zmieniają liczbę masową, to istniejące w przyrodzie nuklidy związane są w 4 szeregi promieniotwórcze, dla których, n całkowite, m = 0,1,2,3 m = 0 szereg torowy m = 2 szereg uranowy m = 3 szereg aktynowy czasy życia początkowych jąder b. długie ( lat) m = 1 szereg neptunowy nie występuje w naturze, za krótkie czasy życia (10 6 lat) Wykład 4 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 3

4 Prawo Geigera-Nutalla Zależność między czasem t 1/2 a ciepłem rozpadu Q α Wykład 4 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 4

5 Ilościowy zapis prawa G.-N. Bardzo silna zależność czasu połowicznego zaniku od energii cząstek alfa (ciepło minus energia odrzutu jądra); półokres rozpadu zmienia się ~20 rzędów wielkości gdy energia tylko o czynnik 2. Interpretacja: silna zależność przenikalności cząstki alfa przez barierę potencjału jądrowego od energii cząstki alfa Wykład 4 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 5

6 Schemat: Bariera potencjału w rozpadzie alfa przebieg potencjału oraz funkcji falowej E α Wykład 4 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 6

7 Ilościowy opis rozpadu alfa Zakłada się, że cząstki alfa pojawiają się w ciężkich jądrach z prawdopodobieństwem P, które musi być znalezione na gruncie modelu struktury jądra: Cząstka alfa porusza się wewnątrz jądra o promieniu R z prędkością v (zależną od Q rozpadu), a więc z częstością f próbuje przedostać się przez barierę: Wg uproszczonego, półklasycznego wzoru współczynnik transmisji przez barierę o wysokości B»Q: Stała rozpadu dana jest przez: Wykład 4 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 7

8 Ilościowy opis rozpadu alfa c.d. Jak widać z powyższych wzorów najsilniej zmieniającym się czynnikiem jest zależny od energii i od własności jąder efekt tunelowy, czyli współczynnik transmisji przez barierę Pozwala to n.p. badać rozmiary R(jądra) + R(α) badać wpływ struktury elektronowej na wysokość bariery badać małe domieszki (~10-7 ) parzystości przeciwnego znaku w stosunku do głównej parzystości stanów jąder Wykład 4 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 8

9 Rozpad beta Rozpad beta to proces, w którym następuje zamiana p n lub n p w wyniku słabego oddziaływania Beta minus: Beta plus: Wychwyt elektronu: W rozpadzie beta zachowana jest (addytywna) liczba leptonowa. Elektron i neutrino mają liczbę leptonową elektronową równą +1, a pozyton i antyneutrino (elektronowe) 1 UWAGA: Na poziomie kwarków (cząstek elementarnych) rozpad beta to przejście u d Wykład 4 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 9

10 Rozpad beta Zależność masy od Z dla izobarów rozpadu beta ma postać paraboliczną wytłumaczenie w modelach jądrowych Dla jąder nieparzystych jest to 1 parabola bo albo liczba neutronów albo liczba protonów jest parzysta, a zamiana n p lub p n nie zmienia liczby par nukleonowych energia wiązania par nn i pp jest praktycznie identyczna Dla jąder parzystych są 2 parabole bo mogą to być jądra parzysto-parzyste (silniej związane) lub nieparzysto-nieparzyste, przy czym zamiana n p lub p n powoduje przejście z jednej paraboli na drugą tj. zmianę energii o 2 energie wiązania pary NN Wykład 4 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 10

11 Rozpad beta - parabole masy Jądra nieparzyste Jądra parzyste Wykład 4 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 11

12 Rozpad beta; ciepło rozpadu Ciepło rozpadu (maksymalna energia e + /e ) wyznacza się korzystając z mas atomów i mas elektronów: W tych wzorach zaniedbano: Zmianę energii wiązania elektronów w początkowym i końcowym atomie (rzędu dziesiątków ev do kev) Dla wychwytu elektronu (proces oznaczony EC = electron capture) zaniedbano fakt, że powstaje dziura w powłoce elektronowej atom jest wzbudzony. Energię wzbudzenia atom emituje w postaci promieniowania X albo jako elektrony Augera ( oże ), tzn. elektron z wyższej orbity wskakuje na wolne miejsce (do dziury ), a swą energię przekazuje elektronowi słabo związanemu na wyższej orbicie Wykład 4 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 12

13 Rozpad beta minus: ciepło rozpadu Przykład beta minus: Z mas jąder: Z mas atomów: czyli znoszą się masy elektronów: Wykład 4 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 13

14 Rozpad beta plus: ciepło rozpadu Przykład beta plus: Z mas jąder: Z mas atomów: czyli masy elektronów nie znoszą się: Wykład 4 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 14

15 Rozpad beta - wychwyt elektronu: ciepło reakcji Przykład wychwytu elektronu: Z mas atomów: (zaniedbano wzbudzenie końcowego atomu) Tu także znoszą się masy elektronów Wychwyt elektronu zachodzi dla tych samych jąder co beta plus ale ma ciepło większe o 2 masy elektronu dlatego nie zawsze może zachodzić rozpad beta plus mimo, że zachodzi wychwyt elektronu Wykład 4 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 15

16 Widmo elektronów z rozpadu beta Rozpady beta minus i plus są procesami trzyciałowymi (w stanie końcowym jądro + + elektron + neutrino) widmo energii elektronów ciągłe; modyfikowane przez kulombowskie efekty Energia maksymalna E max (end point) charakterystyczna dla danego rozpadu β Wykład 4 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 16

17 Widmo elektronów (Augera) z wychwytu e Wychwyt elektronów to proces, w którym na końcu są dwa ciała (jądro końcowe + neutrino) z powłok jądra końcowego widmo dyskretne elektronów Augera Wykład 4 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 17

18 Hipoteza Pauliego: istnienie neutrina Rozpad beta był początkowo bardzo zagadkowy: Obserwowano tylko 2 ciała (elektron i jądro końcowe), a widmo energii było ciągłe niezgodne z prawem zachowania energii i pędu Rozpad zachodzi między izobarami więc albo nie powinno być zmiany spinu (jak np. n p), lub możliwa zmiana spinu tylko o liczbę całkowitą; tymczasem elektron ma spin ½ dodatkowy połówkowy spin niezgodny z zasadą zachowania krętu W 1930 r. Pauli postawił hipotezę istnienia bardzo lekkiej cząstki, bardzo słabo oddziałującej z materią, posiadającej spin ½ : neutrino (Fermi) Wykład 4 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 18

19 Eksperyment Cowana-Reinesa Dopiero w 1953 roku Cowan i Reines używając intensywnej wiązki z reaktora jądrowego zaobserwowali doświadczalnie niezwykle mało prawdopodobną reakcję, potwierdzając istnienie neutrin ciekły organiczny (dużo protonów) scyntylator o objętości 1700 litrów, z dodatkiem chlorku kadmu (wychwyt neutronu) detektor aktywna tarcza, w której zachodziły reakcje Pomiar koincydencji kwantów gamma z wychwytu radiacyjnego i z anihilacji identyfikował proces Wykład 4 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 19

20 Eksperyment Cowana-Reinesa Wykład 4 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 20

21 Teoria Fermiego rozpadu beta (1933) Fermi zaproponował teorię, która wyjaśniała wszystkie znane fakty pozwoliła na klasyfikację rozpadów beta, która do tej pory ma zastosowanie Rozpad neutronu wg teorii Fermiego Diagram w aktualnej teorii Weinberga-Glashowa-Salama Wykład 4 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 21

22 Podstawy Fizyki Jądrowej Do zobaczenia za tydzień Wykład 4 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 22