Podstawy Fizyki Jądrowej

Transkrypt

1 Podstawy Fizyki Jądrowej III rok Fizyki Kurs WFAIS.IF-D008.0 Składnik egzaminu licencjackiego (sesja letnia)! OPCJA: Po uzyskaniu zaliczenia z ćwiczeń możliwość zorganizowania ustnego egzaminu (raczej poza sesją zimową do ustalenia). Uzyskanie oceny (dwa pytania) co najmniej dobrej daje możliwość przepisania jej na życzenie zainteresowanego w trakcie egzaminu licencjackiego. Wykład 1 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 1

2 Warsztaty w ŚLCJ Zgłosiło się 4 chętnych, dane przekazane do ŚLCJ. W wyniku kwalifikacji (poniedziałek) wszyscy zostali zakwalifikowanie do udziału w warsztatach. Wykład 1 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 2

3 Jednostki Fizyki Jądrowej Energia: 1 ev (elektronowolt) 1 ev = J 1 J = ev typowa wielkość 1 MeV = 10 6 ev Długość 1 fm (femtometr, fermi ) 1 fm = m = cm Czas 1 fm/c s yotta (Y) zetta (Z) exa (E) peta (P) tera (T) 10 9 giga (G) 10-9 nano (n) pico (p) femto (f) atto (a) zepto (z) yocto (y) Wykład 1 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 3

4 Jednostki Fizyki Jądrowej Relatywistyczny związek energii, pędu i masy E 2 = (pc) 2 + (mc 2 ) 2 Masa [m] = MeV/c 2 masa protonu m p 1 GeV/c 2 ~10-27 kg Pęd [p] = MeV/c Wykład 1 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 4

5 Wzory relatywistyczne Związki relatywistyczne Definicje β v/c ; γ (1 β 2 ) ½ Energia kinetyczna oraz a także T = E mc 2 = {c=1} = (p 2 + m 2 ) ½ m p 2 = E 2 m 2 = T (T + 2m) E = γmc 2 ; p = γβmc β = (pc)/e Wykład 1 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 5

6 Składniki atomu jednostki c.d. ħ = h/2π = 6, MeV s (h stała Plancka) Wykład 1 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 6

7 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 około razy mniejsze od powłoki atomu Wykład 1 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 7

8 Struktura materii historia A-tomos: niepodzielny składnik materii LHC, FAIR? Wykład 1 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 8

9 Hierarchia strukturalna Wykład 1 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 9

10 Atomowa budowa materii Wszystkie obiekty materialne zbudowane są z tych samych elementów cząstek elementarnych Cząstki elementarne oddziałują na tylko kilka sposobów 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 wyłącznie połączone w konglomeraty zwane hadronami Hadrony o spinie połówkowym to bariony zbudowane z 3 kwarków Hadrony o spinie całkowitym to mezony zbudowane z pary kwarkantykwark Wykład 1 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 10

11 Współczesne a-tomos 1-sza generacja znaleziona ga generacja znaleziona cia generacja b odkryty 1977 t odkryty 1995 Wykład 1 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 11

12 Leptony Wykład 1 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 12

13 Kwarki Masa kwarków masa konstytuentna dla u,d: 1/3 m p masy bieżące (prądowe, gołe) dla u,d ~ 4 MeV/c 2 Wykład 1 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 13

14 Cząstki elementarne Oktet barionowy Dekuplet barionowy Wykład 1 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 14

15 Cząstki elementarne Nonety mezonowe Wykład 1 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 15

16 Hierarchia cząstek elementarnych James Joyce 1961 Murray Gell-Mann Wykład 1 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 16

17 Oddziaływania fundamentalne Istnieją 4 rodzaje oddziaływań elementarnych Grawitacyjne Elektromagnetyczne Słabe Silne (kolorowe) Gluony (8) Kwarki Mezony Bariony Silne Jądra atomowe Grawitacyjne Elektromagnetyczne Foton Atomy Światło Chemia Elektronika Słabe Grawiton? Bozony W,Z Układ Słoneczny Galaktyki Czarne dziury Rozpad neutronu Promieniotw. β Oddziaływ. neutrin Reakcje w Słońcu Wykład 1 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 17

18 Oddziaływania fundamentalne Istnieją 4 rodzaje oddziaływań elementarnych Grawitacyjne Elektromagnetyczne Słabe Silne (kolorowe) Oddziaływania rozchodzą się ze skończoną prędkością, a więc: pola oddziaływań istnieją jako niezależne obiekty Pola są skwantowane kwanty pola mają spin całkowity są bozonami Wykład 1 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 18

19 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: Wykład 1 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 19

20 Nośniki oddziaływań kwanty pól?? Elektromagnety czne Słabe Silne (kolorowe) Wykład 1 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 20

21 Oddziaływania wymienne Elektromagnetyczne Słabe Silne Zasięg: Zasięg: m Zasięg: m Siła: 10-2 Siła: Siła: 1 Grawitacyjne: Zasięg: ; Siła: Wykład 1 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 21

22 Oddziaływanie silne Gluony mają masę zero, a więc siły kolorowe 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 Wykład 1 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 22

23 Mały budowniczy światów Wykład 1 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 23

24 Siły 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 ładunek kolorowy) i przenoszonego przez gluony Wykład 1 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 24

25 Podstawy Fizyki Jądrowej Do zobaczenia za tydzień Wykład 1 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 25