Atomowa budowa materii

Transkrypt

1 Atomowa budowa materii Wszystkie obiekty materialne zbudowane są z tych samych elementów cząstek elementarnych Cząstki elementarne oddziałują tylko kilkoma sposobami oddziaływania wymieniając kwanty pól oddziaływania Cząstki elementarne Są fermionami (mają spin ½) Każda cząstka elementarna ma antycząstkę Cząstki elementarne NIE oddziałujące silnie to leptony Cząstki elementarne oddziałujące silnie to kwarki Kwarki nie występują swobodnie lecz połączone w zespoły zwane hadronami Hadrony o spinie połówkowym to bariony zbudowane z 3 kwarków Hadrony o spinie całkowitym to mezony zbudowane z pary kwarkantykwark Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 1

2 Leptony Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 2

3 Kwarki Stabilność kwarków u i d należy rozumieć tak, że w swobodnym protonie są stabilne ale w obecności innych nukleonów (lub w swobodnym neutronie) mogą w siebie przechodzić przez słabe oddziaływanie Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 3

4 Oddziaływania między cząstkami elem. Istnieją 4 rodzaje oddziaływań elementarnych Grawitacyjne (nieistotne w fizyce jądrowej) Elektromagnetyczne Słabe Silne Oddziaływania rozchodzą się ze skończoną prędkością a więc pola oddziaływań istnieją jako niezależne obiekty Pola są skwantowane kwanty pola mają spin całkowity są bozonami Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 4

5 Zasięg oddziaływań Oddziaływanie silne i słabe jest badane tylko przez fizykę jądrową i fizykę cząstek Emisja kwantu pola o masie m powoduje, że zasada zachowania energii jest naruszana. Może zachodzić tylko w granicach zasady nieoznaczoności Heisenberga Taką cząstkę nazywamy wirtualną i czas między emisją i absorpcją musi być krótszy od a więc zasięg oddziaływania R: Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 5

6 Kwanty pól Warto zapamiętać: Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 6

7 Parzystość (multiplikatywna liczba kwantowa) Parzystość to własność funkcji falowej cząstki lub układu cząstek przy transformacji odbicia przestrzennego: Dwukrotne działanie tego operatora na f.falową daje stan początkowy a więc kwadrat wartości własnej operatora P musi się równać 1. Stąd wartość własna operatora P Z definicji parzystość nukleonów = +1 Parzystość f. falowej ruchu z krętem L : Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 7

8 Oddziaływanie silne jądrowe Hadrony NIE mają ładunku kolorowego a oddziałują silnie. Stąd oddziaływanie między hadronami jest analogiem oddziaływania Van der Waalsa między obojętnymi atomami. Przenoszone jest przez mezony ( białe ). Najlżejszy to pion (obojętny 135 MeV/c 2, naładowane 139 MeV/c 2 ) więc największy zasięg to Oddziaływanie takie nazywane jest jądrowym w odróżnieniu od silnego działającego między kwarkami (posiadającymi ładunekj kolorowy) przenoszonego przez gluony Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 8

9 Oddziaływanie silne Gluony mają masę zero a więc powinny mieć nieskończony zasięg (jak foton) ale oddziaływanie silne jest krótkozasięgowe Spowodowane jest to oddziaływaniem gluonów, które mają ładunek kolorowy więc nie tylko przenoszą oddziaływanie między kwarkami lecz także oddziałują między sobą co nazywa się polaryzacją próżni Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 9

10 Spin Spin wewnętrzny moment pędu (kręt) Komutują: operator kwadratu spinu : operator rzutu spinu na wybraną oś ( z ) : Funkcja własna numerowana wartościami własnymi obu operatorów: Dla danego j może być 2j+1 wartości m: -j, -j+1,, j-1, j Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 10

11 Dodawanie krętów Dwa kręty o wartościach własnych mogą być reprezentowane przez f. falową zapisywaną także: lub albo przez funkcję o określonym całkowitym kręcie (wartość własna ) jego rzucie (wartość własna ) oraz o określonych wartościach własnych zapisywaną jako gdzie zmienia się z krokiem jednostkowym między a Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 11

12 Zmiana reprezentacji spinowej f.falowej Obie reprezentacje stanowią zupełne układy (2j 1 +1) (2j 2 +1) funkcji falowych Związek między nimi przez kombinację liniową: Współczynniki nazywane są współczynnikami Clebscha-Gordana Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 12

13 Współczynniki Clebscha-Gordana Współczynniki Clebscha-Gordana pozwalają również wyrazić stany jako kombinację liniową stanów. Wtedy sumowanie przebiega po wszystkich wartościach j i m. Współczynniki C.-G. mają specyficzne własności symetrii. Dla celów badania symetrii funkcji falowej ze względu na przestawianie cząstek należy pamiętać, że zmiana kolejności dodawania krętów powoduje pojawienie się czynnika: (-1) j1 + j2 - j Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 13

14 Własności składników atomu e : ładunek elementarny =1, C MeV : Megaelektronowolt = energia, uzyskiwana przez ładunek elementarny po przejściu różnicy potencjałów równej milion Voltów ħ = h/2π = 6, MeV s (h stała Plancka) Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 14

15 Wnioski z własności składników atomu Ładunek jądra atomowego dokładnie równy ładunkowi powłoki elektronowej a więc atom jako całość ma zerowy ładunek Masa jądra to ~ a masa elektronów masy atomu Masa neutronu jest większa od sumy mas protonu i elektronu stąd możliwy rozpad swobodnego neutronu (< t >~ 882 s) Nukleony (p i n) oraz elektrony są fermionami zakaz Pauliego Magnetyzm elektronów ~ 1000 razy większy od magnetyzmu jądra Momenty magnetyczne protonu 1 μ N, neutronu 0 μ N jak to powinno być dla punktowych cząstek spełniających r. Diraca. Stąd wniosek, że nukleony mają strukturę wewnętrzną. Promień nukleonu wynosi ok. 1 fm. Dla jednostajnego, sferycznego rozkładu ładunku stąd Jądro atomowe jest ok razy mniejsze od powłoki atomu Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 15