Fizyka atomowa i jądrowa

Transkrypt

1 Fizyka atomowa i jądrowa Widma atomowe kwantowanie poziomów Budowa atomu: eksperyment Geigera-Marsdena-Rutherforda Atom wodoru w mechanice kwantowej; liczby kwantowe Atomy wieloelektronowe układ okresowy pierwiastków Struktura jądra atomowego Siły jądrowe, energia wiązania i stabilność jąder Radioaktywność Reakcje jądrowe Energia jądrowa Literatura: Orear, t. 2, rozdz. 26,27,29 Halliday, Resnick, Walker, t. 5, rozdz. 41, 43, 44 Young, Friedman, rozdz. 41, 43 1

2 Widma atomowe Linie emisyjne kwantowanie poziomów energetycznych stany wzbudzone Atom wodoru: : Balmer 1885 Wiley/PWN stan podstawowy 2

3 Widma atomowe Linie emisyjne i absorpcyjne różnych atomów 3

4 Dawne modele atomu (ok. 1910) ładunek dodatni Elektrony Model Thomsona (plum pudding) Model Rutherforda 4

5 Doświadczenie Geigera-Marsdena scyntylacje ( ) ruchomy ekran fluorescencyjny wiązka cząstek a złota folia mikroskop obserwacyjny osłona ołowiana ołowiana przesłona ze szczeliną źródło radioaktywne A wiązka przechodząca bez odchylenia B wiązka rozproszona pod małym kątem C wiązka odbita elektrony rozmyty ładunek dodatni Encyclopædia Britannica 5

6 Atom wodoru w mechanice kwantowej Równanie Schrödingera we współrzędnych sferycznych Separacja zmiennych zależy tylko od degeneracja poziomów energetycznych 6

7 Atom wodoru gęstości prawdopodobieństwa 7

8 Stany elektronowe w atomach Stany elektronowe: n,l,ml,ms Powłoki: n = 1, 2, 3, 4, 5,... K, L, M,... Podpowłoki: l = 0, 1, 2, 3, 4,..., n 1 s, p, d, f, g,... Magnetyczna liczba kwantowa: ml = l, l + 1,..., l 1, l Spinowa liczba kwantowa: ms = 1/2,1/2 8

9 Atomy wieloelektronowe układ okresowy blok s H: 1s1 He: 1s2 powłoka zamknięta blok p blok s Małe atomy: Odległości energetyczne pomiędzy niskimi poziomami są duże wpływ oddziaływania pomiędzy elektronami jest mały Elektrony zajmują kolejno najniższe stany, zgodnie z zakazem Pauliego: Li: 1s22s1 = [He] 2s1 Be: [He] 2s2 B: [He] 2s22p1 C: [He] 2s22p2 N: [He] 2s22p3 O: [He] 2s22p4 Fe: [He] 2s22p5 powłoki 2 6 Ne: [He] 2s 2p zamknięte Na: [Ne] 3s1 Mg: [Ne] 3s2 Al: [Ne] 3s23p1 Si: [Ne] 3s23p2 P: [Ne] 3s23p3 S: [Ne] 3s23p4 Cl: [Ne] 3s23p5 Ar: [Ne] 3s23p6 9

10 Ekranowanie Na+: [Ne] Energie dozwolonych stanów 11. elektronu: stany 3s: ev stany 3p: ev stany 3d: ev dla wodoru E3 = ev stany 4s: ev stan 4s ma niższą energię! Pole odczuwane przez elektrony d jest ekranowane przez elektrony z powłok wewnętrznych. Efektywny ładunek Qef +e. Podpowłoki d,f mają wyższe energie niż podpowłoki s,p z wyższych orbit. Energia elektronu w atomie wieloelektronowym zależy od l. 10

11 blok s 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 5f 5g 6s 6p 6d 6f 6g... 7s 7p 7d 7f 7g... 8s 8p 8d 8f 8g... blok d blok p blok d metale przejściowe Duże atomy: Odległości energetyczne pomiędzy niskimi poziomami są małe istotny wpływ oddziaływania Odstępstwa od kolejnego zapełniania powłok Sc: [Ar] 3d14s2 Ti: [Ar] 3d24s2 V: [Ar] 3d34s2 Cr: [Ar] 3d54s1 Mn: [Ar] 3d54s2 Fe: [Ar] 3d64s2 Co: [Ar] 3d74s2 Ni: [Ar] 3d84s2 Cu: [Ar] 3d104s1 Zn: [Ar] 3d104s2 blok p blok s Układ okresowy c.d. K: [Ar] 4s1 Ca: [Ar] 4s2 Ga: [Ar] 3d104s24p1 Ge: [Ar] 3d104s24p2 As: [Ar] 3d104s24p3 Se: [Ar] 3d104s24p4 Br: [Ar] 3d104s24p5 Kr: [Ar] 3d104s24p6 11

12 Układ okresowy blok f 12

13 Oddziaływanie atomów ze światłem Emisja wymuszona: emitowany foton ma taką samą częstość, fazę i kierunek propagacji jak foton padający. Wiley/PWN 13

14 Laser Foton wyemitowany spontanicznie przez jeden atom wymusza emisję z innych atomów. Każdy foton wielokrotnie przebiega pomiędzy zwierciadłami. Emitowana wiązka promieniowania jest monochromatyczna, spójna, i silnie ukierunkowana. Laser He-Ne: wzbudzany przez zderzenia atomów z elektronami 14

15 Widma cząsteczkowe Widmo rotacyjne: C O Widmo oscylacyjne: 15

16 Podstawowe własności jąder atomowych Nuklid Z liczba atomowa (liczba protonów) N liczba neutronów A = Z + N liczba masowa (liczba nukleonów) Oznaczenie nuklidu: lub Masa nuklidu: Promień jądra (nuklidu): Gęstość materii jądrowej (56Fe): Izotopy: identyczne Z, różne N. Np. 35Cl (76%), 37Cl (24%) Mechanizm przyciągania pomiędzy nukleonami: Oddziaływania silne pomiędzy kwarkami 16

17 Siły jądrowe Energia wiązania jądra: EB/A [MeV] defekt masy Siły jądrowe (oddziaływania silne): Krótkozasięgowe Silne Preferuje pary z przeciwnym spinem A Wiąże pary (2n + 2p) 17

18 Stabilność jąder Diagram Segré'go mapa stabilności nuklidów: Z Nie ma stabilnych jąder dla A > 209 lub Z > 83 duże jądra są niestabilne N Dla lekkich jąder N = Z Dla cięższych jąder Z < N (redukcja energii kulombowskiej) 18

19 Radioaktywność (1896) Szereg promieniotwórczy uranowy Henri Becquerel 19

20 Rozpad promieniotwórczy α np. 238U 234Th + 4He cząstka a 228U 238U Cząstka a tuneluje przez barierę potencjału Czas rozpadu zależy od energii reakcji 20

21 Rozpad promieniotwórczy β węgiel 14 Rozpad azot 14 antyneutrino β- elektron węgiel 14 n p + b- + ne 6 protonów 8 neutronów węgiel 10 Rozpad 7 protonów 7 neutronów bor 10 neutrino węgiel 14 β+ pozyton węgiel 14 p n + b+ + ne 6 protonów 4 neutronów 5 protonów 5 neutronów węgiel 11 Wychwyt elektronu p + b- n + ne bor 11 elektron węgiel 14 6 protonów 5 neutronów węgiel neutrino14 5 protonów 6 neutronów 21

22 Rozpad promieniotwórczy γ stabilny Cząstka gamma wysokoenergetyczny foton Przejście pomiędzy stanami jądra bez zmiany liczb Z, N 22

23 Rozpad promieniotwórczy i datowanie aktywność próbki (szybkość rozpadu) 1 bekerel = 1 Bq = 1 rozpad na sekundę; 1 kiur = 1 Ci = 3, Bq stała rozpadu prawo rozpadu promieniotwórczego Średni czas życia Czas połowicznego zaniku Datowanie na podstawie rozpadu promieniotwórczego 14C 14N, T1/2 = 5730 lat wiek organizmów i materiałów organicznych (historia, archeologia, biologia) 40K 40Ar, T1/2 = 1, lat wiek skał (geologia, paleontologia) 23

24 Biologiczne skutki promieniowania Dawka pochłonięta: energia na jednostkę masy tkanki 1 grej (Gy) = 1 J/kg 1 rad = 0,01 J/kg = 0,01 Gy Względna skuteczność biologiczna (WSB, ang. RBE) Promieniowanie X i γ Elektrony (γ) Wolne neutrony Protony Cząstki γ Ciężkie jony Równoważnik dawki pochłoniętej: WSB dawka pochłonięta 1 siwert (Sv) = WSB 1 Gy 1 rem = WSB 1 rad 24

25 Dawki promieniowania normy i przykłady Dopuszczalna dawka w związku z działalnością zawodową dla ogółu ludności: 1 msv/rok Dopuszczalna dawka dla pracowników: 20 msv/rok (rozp. RM z ) RTG klatki piersiowej: 0,2 0,4 msv Tło naturalne: 2 3 msv/rok (radon, opad promieniotwórczy, promieniowanie kosmiczne) Dawka śmiertelna (w krótkim okresie czasu): 5 Sv 25

26 Reakcje jądrowe EB/A [MeV] Rutherford (1919): Zasady zachowania: ładunek energia pęd moment pędu liczba nukleonów A Energia reakcji A + B C + D 26

27 Rozszczepienie jądrowe (Lise Meitner, Otto Hahn, Fritz Strassmann, lata 30. XX w.) trwały trwały 27

28 Rozszczepienie jądrowe model kroplowy Rozszczepialność wybranych nuklidów przy użyciu neutronów termicznych Nuklid tarczy Nuklid rozszczepiany En [MeV] Eb [MeV] rozszczepienie przez n. termiczne? tak nie tak nie 28

29 Reakcja łańcuchowa Współczynnik rozmnożenia neutronów: Masa krytyczna: samopodtrzymująca się, stabilna reakcja łańcuchowa 29

30 Reaktor jądrowy Reaktor wodny ciśnieniowy (PWR, WWER) 30

31 Bomba atomowa Ładunek konwencjonalny Podkrytyczne bryły uranu 235 Metoda wstrzeliwania Ładunki konwencjonalne Rdzeń plutonowy Metoda implozyjna 31

32 Synteza termojądrowa Warunki syntezy termojądrowej Wysoka temperatura Duża gęstość przez dostatecznie długi czas kryterium Lawsona: Metody utrzymywania plazmy: Magnetyczna tokamak Inercyjna kapsułki D-T ogrzewane laserowo 32