Fizyka 2. Janusz Andrzejewski

Transkrypt

1 Fizyka 2 wykład 15 Janusz Andrzejewski

2 Janusz Andrzejewski 2

3 Egzamin z fizyki I termin 31 stycznia2014 piątek II termin 13 luty2014 czwartek Oba egzaminy odbywać się będą: sala 301 budynek D1 Janusz Andrzejewski 3

4 Fizyka jądrowa Fizyka jądrowa jest nauką o budowie jądra atomowego, jego przemianach promieniotwórczych i jego oddziaływaniach z innymi jądrami i cząstkami. Jądra dzielimy na dwie grupy: jądra trwałe (stabilne) jądra nietrwałe (promieniotwórcze). Jądro składa się z protonów i neutronów związanych siłami jądrowymi. Neutron i proton (zwane nukleonami) mają prawie taką samą masę i bardzo zbliżone właściwości: m n = 1.674*10 27 kg, m p = 1.672*10 27 kg, czyli m p = 1836,1m e i mn = 1838,6m e. - proton - ma dodatni ładunek elektryczny, cząstka trwała -neutron nie posiada ładunku elektrycznego, cząstka nietrwała, czas połowicznego rozpadu 10.4 min -rozmiar nukleonówto około (=10-5 ) rozmiaru atomu Janusz Andrzejewski 4

5 Siły jądrowe Ponieważ rozmiary jąder i cząstek elementarnych są bardzo małe dlatego stosujemy jednostkę femtometr zwaną też fermi(fm); 1 fm= m. Oddziaływanie proton-proton, proton-neutron i neutron neutronjest identyczne (jeżeli zaniedbamy relatywnie małe efekty odpychania elektrostatycznego) i nazywamy go oddziaływaniem jądrowym lub silnym Janusz Andrzejewski 5

6 Jądro atomowe Znanych jest 105 pierwiastków chemicznych, z których przeważająca większość posiada izotopy. Istnieje około 300 izotopów trwałych i powyżej 1000 nietrwałych (promieniotwórczych). Janusz Andrzejewski 6

7 Mapa znanych nuklidów Liczba neutronów N w miarę wzrostu liczby atomowej Z coraz bardziej przewyższa liczbę protonów w jądrach kolejnych pierwiastków. Janusz Andrzejewski 7

8 Rozmiar jądra atomowego Nuklid 12 6C przyjęto do zdefiniowania jednostki masy atomowej (1 j.m.a. = 1u = 1.66*10 27 kg) wynosi 12. Jednostka masy atomowej jest równoważna energii 931 MeV. Średni promień jąder (oprócz najmniejszych) R ( 15 ) 1/ m A Jeżeli jądro potraktujemy jako kroplę cieczy jądrowej to liczba cząstek na jednostkę objętości wynosi N A = (4 / 3) πr 3 = Gęstość masy to iloczyn tej liczby i masy nukleonu 44 nukleonów 3 m ( )( ) kg / m = kg / m ρ = Nm p = Wynika stąd, że 1 cm 3 materii jądrowej ważyłby 230 milionów ton!!!. Gęstość materii jądrowej nie zależy od rozmiarów jądra, ponieważ jego objętość jest proporcjonalna do liczby masowej A. Janusz Andrzejewski 8

9 Defekt masy Energią wiązania nukleonu nazywamy wielkość równą pracy potrzebnej na usunięcie danego nukleonu z jądra bez nadania mu energii kinetycznej. Całkowita energia wiązania jądra jest określona jako praca potrzebna na rozłożenie jądra na jego składowe nukleony bez nadania im energii kinetycznej. Masa M jądra jest mniejsza niż suma mas Σmtworzących je nukleonów m = m M = ( A Z ) [ Zm + m ] M Defekt masy p różnicą między sumą mas swobodnych nukleonów i masą jądra. n Energię wiązania jądra określimy za pomocą niedoboru masy (defektu masy) jądra. Suma mas atomowych poszczególnych nukleonów jest zawsze większa o kilka dziesiątych procent od masy jądra utworzonego z tych nukleonów. E W = mc 2 = ( 2 ) 2 mc Mc Janusz Andrzejewski 9

10 Defekt masy Janusz Andrzejewski 10

11 Energia wiązania jądra Janusz Andrzejewski 11

12 Siły jądrowe oddziaływania te nie możemy wyjaśnić za pomocą klasycznych oddziaływań grawitacyjnych czy elektromagnetycznych (są zbyt słabe), siły jądrowe są przyciągające, są krótko zasięgowe. Zanikają na odległości około 2*10 15 m, są niezależne od ładunku. Oznacza to, że nie rozróżniają one protonów od neutronów. wysycają się, co wskazuje że każdy nukleon oddziałuje z najbliższymi sąsiednimi nukleonami, zależą od orientacji spinów oddziałujących nukleonów i nie są siłami centralnymi, są siłami wymiennymi; istnieje cząstka wymieniana między nukleonami. Jest nią cząstka zwana mezonem π (pion). Istnienie takiej cząstki zostało potwierdzone eksperymentalnie. Mezonową teorię sił jądrowych przedstawił H. Yukawaw 1935 r. Siły jądrowe między protonem i neutronem możemy wyjaśnić przez wirtualną wymianę pionu naładowanego natomiast siły między dwoma neutronami lub między dwoma protonami, przez wymianę pionu neutralnego W 1947 r. odkryto mezony w promieniowaniu kosmicznym i stwierdzono, że ich masa wynosi 274me. Janusz Andrzejewski 12

13 Mezony, kwarki, gluony Nukleony oraz mezony (poza pionami są jeszcze inne mezony) to cząstki silnie oddziałujące hadrony. Obecnie przyjmuje się, że hadrony są podzielne składają się z mniejszych cząstek, kwarków. Przyjmuje się, że istnieje sześć kwarków i sześć antykwarków, chociaż dotychczas nikt nie wykazał doświadczalnie istnienia swobodnego kwarku. Być może, że istnieją tylko w postaci związanej jak składniki, np. protonu czy innego hadronu. Przyjmuje się, że cząstką wymienną w oddziaływaniu kwarków jest gluon. Janusz Andrzejewski 13

14 Cząstki, cząstki, cząstki Janusz Andrzejewski 14

15 Przemiany jądrowe Jądra atomowe niektórych pierwiastków są nietrwałe i samorzutnie przekształcają się w jądra innych pierwiastków, czemu towarzyszy wysyłanie różnego rodzaju promieniowania. Przemiany (rozpady) te noszą historyczne nazwy przemian α(alfa),β(beta)i γ(gamma),a towarzyszące im promieniowania odpowiednio promieniowańα, βi γ. Promieniowanie αstanowi strumień jąder helu ( 4 2He), promieniowanie βstrumień elektronów, a promieniowanie γ strumień kwantów promieniowania elektromagnetycznego o dużej energii. Naturalną radioaktywność obserwujemy w przypadku jąder ciężkich, które w układzie okresowym pierwiastków zajmują miejsca za ołowiem. Jednakże istnieją także jądra o mniejszej liczbie masowej wykazujące naturalną radioaktywność. Są to izotopy potasu 40 19K, węgla 14 6C, rubidu 87 37Rb, ziem rzadkich lantanu, samaru, lutetu, a także indu i renu. Janusz Andrzejewski 15

16 Cechy przemian jądrowych promieniotwórczość naturalna i sztuczna statystyczny charakter promieniotwórczości -prawo rozpadu promieniotwórczego spełnienie praw zachowania: ładunku, liczby nukleonów, energii i pędu Janusz Andrzejewski 16

17 Promieniotwórczość naturalna - rozpad Z doświadczenia wiadomo, że liczba jąder rozpadających się w jednostce czasu jest proporcjonalna do aktualnej liczby jąder N. dn = λndt gdzie λ jest stałą rozpadu. Określa ona prawdopodobieństwo rozpadu w jednostce czasu. Stała λ nie zależy od czynników zewnętrznych takich jak temperatura czy ciśnienie. Znak minus w równaniu wynika stąd, że dnjest liczbą ujemna bo liczba jąder N maleje z czasem. N( t) = N 0 e λt prawem rozpadu promieniotwórczego. Średni czas życia jąder τ, z definicji jest równy odwrotności stałej rozpadu λ Czas połowicznego zaniku - czas po jakim liczba jąder maleje do połowy T = ln 2 λ = 1/ 2 τ ln 2 Janusz Andrzejewski 17

18 Promieniotwórczość W przypadku gdy jądro pochodne rozpadu promieniotwórczego jest również jądrem promieniotwórczym, wówczas powstaje cały łańcuch przemian promieniotwórczych, zwany rodziną promieniotwórczą. Istnieją cztery rodziny promieniotwórcze: Janusz Andrzejewski 18

19 Słońce W cyklu wodorowym wytworzona zostaje cząstka alfa, 2 pozytony, 2 neutrina i 2 fotony gamma. Masa jądra helu stanowi 99.3% masy czterech protonów więc wydziela się energia związana z różnicą mas. Cykl wodorowy jest głównym mechanizmem produkcji energii przez Słońce i inne gwiazdy bogate w wodór. Energia wytwarzana przez Słońce jest ogromna. W ciągu sekundy 592 miliony ton wodoru zamieniają się w milionów ton helu. Różnica tj. 4.1 miliony ton jest zamieniana na energię (w ciągu sekundy). Odpowiada to mocy około W. Janusz Andrzejewski 19

20 Oddziaływania Janusz Andrzejewski 20

21 Podsumowanie Całkowita liczba fizyków w roku 1900 wynosiła około 1100, z tego około 200, czyli 20%, byli to fizycy ważni, na tyle, że po upływie stu lat ich nazwiska są nadal zamieszczane w słownikach biograficznych. Całkowita liczba fizyków stale rośnie i w roku 2000 przypuszczalnie przekraczała już milion. Jest oczywiste, że słowniki biograficzne w roku 2100 będą zawierały znacznie mniej niż20% nazwisk obecnych fizyków. Procentowy udział ważnych fizyków niewątpliwie maleje w czasie, fizyka zmienia charakter i staje sięczymśwrodzaju przemysłu, w którym jest coraz więcej pracowników naukowych. Janusz Andrzejewski 21

22 Konkluzja Jest bardzo trudno przewidzieć ewolucję fizyki w następnych dekadach. Jest jednak zupełnie pewne, że fizyka nie skończy się wkrótce badania fizyczne staną się jeszcze bardziej kolektywne i prace fizyczne będą miały coraz więcej autorów będą się zdarzać odkrycia niespodziewane będą także występowały błędne odkrycia i teorie (jak się zdarzało w przeszłości) Janusz Andrzejewski 22