Widma atomowe. Fizyka atomowa i jądrowa. Dawne modele atomu. Widma atomowe. Linie emisyjne kwantowanie poziomów energetycznych

Transkrypt

1 Fizyka atomowa i jądrowa Widma atomowe kwantowanie poziomów Widma atomowe Linie emisyjne kwantowanie poziomów energetycznych 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 stany wzbudzone Radioaktywność Reakcje jądrowe Atom wodoru: 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 : Balmer 1885 stan podstawowy Wiley/PWN 2 Widma atomowe Linie emisyjne i absorpcyjne różnych atomów Dawne modele atomu (ok. 1910) ładunek dodatni Elektrony 3 Model Thomsona (plum pudding) Model Rutherforda 4

2 wiązka cząstek a Doświadczenie Geigera-Marsdena ( ) scyntylacje złota folia ruchomy ekran fluorescencyjny Atom wodoru w mechanice kwantowej Równanie Schrödingera we współrzędnych sferycznych mikroskop obserwacyjny Separacja zmiennych 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 zależy tylko od degeneracja poziomów energetycznych Encyclopædia Britannica 5 6 Atom wodoru gęstości prawdopodobieństwa Stany elektronowe w atomach Stany elektronowe: n,l,m l,m s 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: m l = l, l + 1,..., l 1, l Spinowa liczba kwantowa: m s = 1/2,1/2 7 8

3 Atomy wieloelektronowe układ okresowy Małe atomy: Odległości energetyczne pomiędzy niskimi poziomami są duże wpływ oddziaływania pomiędzy elektronami jest mały blok s Elektrony zajmują kolejno najniższe stany, zgodnie z zakazem Pauliego: H: 1s 1 He: 1s 2 powłoka zamknięta blok p blok s Li: 1s 2 2s 1 = [He] 2s 1 Be: [He] 2s 2 B: [He] 2s 2 2p 1 C: [He] 2s 2 2p 2 N: [He] 2s 2 2p 3 O: [He] 2s22p4 Fe: [He] 2s22p5 Ne: [He] 2s22p6 powłoki zamknięte Na: [Ne] 3s 1 Mg:[Ne] 3s 2 Al: [Ne] 3s 2 3p 1 Si: [Ne] 3s 2 3p 2 P: [Ne] 3s 2 3p 3 S: [Ne] 3s23p4 Cl: [Ne] 3s23p5 Ar: [Ne] 3s23p6 Na + : [Ne] Ekranowanie Energie dozwolonych stanów 11. elektronu: stany 3s: ev stany 3p: ev stany 3d: ev dla wodoru E 3 = ev stany 4s: ev stan 4s ma niższą energię! Pole odczuwane przez elektrony d jest ekranowane przez elektrony z powłok wewnętrznych. Efektywny ładunek Q ef +e. Podpowłoki d,f mają wyższe energie niż podpowłoki s,p z wyższych orbit. Energia elektronu w atomie wieloelektronowym zależy od l Układ okresowy c.d. blok s Duże atomy: Odległości energetyczne pomiędzy niskimi poziomami są małe istotny wpływ oddziaływania Odstępstwa od kolejnego zapełniania powłok 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 s blok d metale przejściowe blok p K: [Ar] 4s 1 Ca: [Ar] 4s2 Sc: [Ar] 3d 1 4s 2 Ti: [Ar] 3d24s2 V: [Ar] 3d34s2 Cr: [Ar] 3d 5 4s 1 Mn:[Ar] 3d54s2 Fe: [Ar] 3d64s2 Co: [Ar] 3d74s2 Ni: [Ar] 3d84s2 Cu: [Ar] 3d104s1 Zn: [Ar] 3d 10 4s 2 Ga: [Ar] 3d 10 4s 2 4p 1 Ge: [Ar] 3d 10 4s 2 4p 2 As: [Ar] 3d104s24p3 Se: [Ar] 3d 10 4s 2 4p 4 Br: [Ar] 3d 10 4s 2 4p 5 Kr: [Ar] 3d 10 4s 2 4p 6 11 Układ okresowy blok f 12

4 Oddziaływanie atomów ze światłem 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. Emisja wymuszona: emitowany foton ma taką samą częstość, fazę i kierunek propagacji jak foton padający. Laser He-Ne: wzbudzany przez zderzenia atomów z elektronami Wiley/PWN Widmo rotacyjne: C Widma cząsteczkowe O 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: Widmo oscylacyjne: Promień jądra (nuklidu): Gęstość materii jądrowej (56Fe): Izotopy: identyczne Z, różne N. Np. 35Cl (76%), 37Cl (24%) 15 Mechanizm przyciągania pomiędzy nukleonami: Oddziaływania silne pomiędzy kwarkami 16

5 Siły jądrowe Stabilność jąder Energia wiązania jądra: Diagram Segré'go mapa stabilności nuklidów: defekt masy Nie ma stabilnych jąder dla A > 209 lub Z > 83 duże jądra są niestabilne Z EB/A [MeV] Siły jądrowe (oddziaływania silne): Krótkozasięgowe A Silne Preferuje pary z przeciwnym spinem Wiąże pary (2n + 2p) 17 Dla lekkich jąder N = Z N Dla cięższych jąder Z < N (redukcja energii kulombowskiej) 18 Radioaktywność (1896) Rozpad promieniotwórczy α np. 238U 234Th + 4He cząstka a Szereg promieniotwórczy uranowy Henri Becquerel 228U 238U Cząstka a tuneluje przez barierę potencjału 19 Czas rozpadu zależy od energii reakcji 20

6 Rozpad β - n p + b - + ne Rozpad β + p n + b + + ne Rozpad promieniotwórczy β węgiel 14 6 protonów 8 neutronów węgiel 10 6 protonów 4 neutronów azot 14 7 protonów 7 neutronów bor 10 5 protonów 5 neutronów antyneutrino węgiel neutrino14 węgiel elektron 14 węgiel pozyton14 Rozpad promieniotwórczy γ Cząstka gamma wysokoenergetyczny foton Przejście pomiędzy stanami jądra bez zmiany liczb Z, N stabilny Wychwyt elektronu p + b - n + ne węgiel 11 węgiel elektron14 bor 11 węgiel 14 neutrino 6 protonów 5 neutronów 5 protonów 6 neutronów Rozpad promieniotwórczy i datowanie Biologiczne skutki promieniowania Średni czas życia aktywność próbki (szybkość rozpadu) 1 bekerel = 1 Bq = 1 rozpad na sekundę; 1 kiur = 1 Ci = 3, Bq stała rozpadu prawo rozpadu promieniotwórczego Czas połowicznego zaniku Datowanie na podstawie rozpadu promieniotwórczego 14C 14 N, T 1/2 = 5730 lat wiek organizmów i materiałów organicznych (historia, archeologia, biologia) 40K 40Ar, T 1/2 = 1, lat wiek skał (geologia, paleontologia) 23 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 1 Elektrony (γ) Wolne neutrony 3 5 Protony 10 Cząstki γ 20 Ciężkie jony 20 Równoważnik dawki pochłoniętej: WSB dawka pochłonięta 1 siwert (Sv) = WSB 1 Gy 1 rem = WSB 1 rad 24

7 Dawki promieniowania normy i przykłady Reakcje jądrowe Rutherford (1919): 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 EB/A [MeV] A Zasady zachowania: ładunek energia pęd moment pędu liczba nukleonów Energia reakcji A + B C + D Rozszczepienie jądrowe Rozszczepienie jądrowe model kroplowy (Lise Meitner, Otto Hahn, Fritz Strassmann, lata 30. XX w.) trwały trwały 27 Rozszczepialność wybranych nuklidów przy użyciu neutronów termicznych Nuklid tarczy Nuklid rozszczepiany E n [MeV] E b [MeV] rozszczepienie przez n. termiczne? tak nie tak nie 28

8 Reakcja łańcuchowa Reaktor jądrowy Współczynnik rozmnożenia neutronów: Masa krytyczna: samopodtrzymująca się, stabilna reakcja łańcuchowa Reaktor wodny ciśnieniowy (PWR, WWER) Ładunek konwencjonalny Bomba atomowa Podkrytyczne bryły uranu 235 Warunki syntezy termojądrowej Wysoka temperatura Synteza termojądrowa Duża gęstość przez dostatecznie długi czas kryterium Lawsona: Metoda wstrzeliwania Metody utrzymywania plazmy: Magnetyczna tokamak Inercyjna kapsułki D-T ogrzewane laserowo Ładunki konwencjonalne Metoda implozyjna Rdzeń plutonowy 31 32