Rozpad gamma Deekscytacja jądra atomowego (przejście ze stanu wzbudzonego o energii do niższego stanu o energii ) może zachodzić dzięki oddziaływaniu elektromagnetycznemu przez tzw. rozpad gamma Przejście to może być realizowane: Przez emisję realnego kwantu gamma Przez konwersję wewnętrzną (emisję wirtualnego kwantu gamma, który przekazuje swą energię elektronom z powłoki atomowej) Przez wewnętrzne tworzenie par (e+,e-) (wirtualny kwant gamma w obecności jądra kreuje tę parę) Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 1
Emisja realnych kwantów gamma Energia kwantu gamma - jeżeli zaniedba się odrzut jądra. UWAGA: energia odrzutu jest zwykle większa od szerokości naturalnej stanu i dlatego kwant gamma wysłany przez jądro NIE MOŻE wzbudzić innego jądra chyba, że zachodzi jeden z dwu przypadków: (1) Energia odrzutu zabierana jest przez kryształ, w którym związane jest jądro i wtedy jest ona zaniedbywalnie mała (tzw. Efekt Mössbauera) (2) Ruch emitującego jądra powoduje (przez efekt Dopplera ) kompensację zmiany energii Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 2
Efekt Mössbauera Bezodrzutowa emisja i absorpcja promieniowania gamma, tj. efekt Mössbauera pozwala na bardzo precyzyjne pomiary rezonansowe szerokości linii widmowych, ich kształtu i przesunięcia Daje to możliwość badania lokalnych pól elektromagnetycznych w kryształach i dostarcza informacji o strukturze krystalicznej, własnościach chemicznych itd. Ważne dla fizyki ciała stałego i zastosowań, np. fizyki medycznej Dzięki wielkiej precyzji pomiarów wykorzystano efekt Mössbauera do testowania ogólnej teorii względności (można było zmierzyć względne przesunięcie linii ~10-15 przy zmianie wysokości w polu grawitacyjnym o 20 m ) Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 3
Emisja realnych kwantów gamma c.d. Zasada zachowania krętu wymaga aby kręt unoszony przez kwant gamma równał się różnicy spinów stanów jadra: Ponieważ kwant gamma ma spin (zawsze równoległy do kierunku lotu kwantu) to nie może zachodzić przejście gamma pomiędzy stanami, które oba mają spin zerowy. Reguły wyboru wynikające z zachowania krętu: Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 4
Emisja realnych kwantów gamma c.d. 2 Kwant promieniowania gamma ma określoną parzystość Promieniowanie elektryczne EJ, tj. takie, którego źródłem jest rozkład ładunku, niosące kręt J ma parzystość Promieniowanie magnetyczne MJ, tj. takie, którego źródłem jest rozkład prądu, niosące kręt J ma parzystość Reguły wyboru ze względu na zachowanie parzystości Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 5
Prawdopodobieństwa przejść promienistych Zależą od rodzaju promieniowania (elektryczne magnetyczne). Prawdopodobieństwa przejść elektrycznych są o rząd dwa rzędy wieksze: Zależą od multipolowości przejść. Im wyższa multipolowość tym dłuższy czas życia (mniejsze prawdopodobieństwo emisji): [ R w fm, energia w MeV ] Nie jest jednak wykluczone, że P(E(J+1)) może być porównywalne z P(MJ) Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 6
Porównanie czasów życia dla EJ i MJ Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 7
Konwersja wewnętrzna Konwersja wewnętrzna konkuruje z emisją kwantów gamma Współczynnik konwersji wewnętrznej to stosunek liczby elektronów konwersji do liczby kwantów gamma przy deekscytacji tego samego stanu Współczynniki konwersji definiuje się dla poszczególnych powłok i podpowłok atomowych: K, LI, LII, LIII, MI... gdzie współczynnik dla całej powłoki jest sumą współczynników dla podpowłok Współczynniki konwersji NIE ZALEŻĄ od struktury jądra bo ona wchodzi i do licznika i do mianownika Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 8
Konwersja wewnętrzna c.d. Mimo, że współczynnik konwersji nie zależy od struktury jądra to silnie zależy od: Multipolowści przejścia (silnie rośnie wraz ze wzrostem multipolowości) Rodzaju przejścia (dla przejść magnetycznych jest znacznie większy niż dla elektrycznych, szczególnie dla ciężkich jąder) Pozwala to określać typ i polowość przejścia Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 9
Przykładowe widmo elektronów konwersji Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 10
Rozszczepienie (ang. fission) Odkryte w 1938 r. przy naświetlaniu jąder 238 U neutronami. Zaobserwowano rozpad beta produktów reakcji, przypisany początkowo radowi 226 Ra ale Hahn i Strassmann pokazali metodami radiochemicznymi, że to był 137 Ba (~połowa uranu). Schemat takiej reakcji dla 235 U pokazany na rysunku Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 11
Spontaniczne rozszczepienie Liza Meitner i Otto Hahn w 1939 r. zaproponowali wyjaśnienie tego efektu jako rozszczepienie Okazało się, że takie jądra jak uran czy tor potrafią rozszczepiać się samorzutnie (spontanicznie bez bombardowania neutronami) Czas procesu zależy od efektu tunelowania przez barierę potencjału Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 12
Spontaniczne rozszczepienie BARDZO silnie zależy od Z 2 /A - parametru rozszczepialności Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 13
Model Nilsa Bohra i Johna Wheelera W 1939 r. (niezależnie od L.Meitner i O. Hahna) pokazali, że konkurencja zmiany energii powierzchniowej i energii kulombowskiej przy przejściu od kuli do elipsoidy o tej samej objętości może prowadzić do rozszczepienia (wydzielania energii) Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 14
Energia fragmentów: systematyka Violi Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 15
Energia fragmentów - bariera Energia kinetyczna fragmentów odzwierciedla wysokość bariery kulombowskiej Rozrzut energii dokoła średniej może być opisany funkcją Gaussa z odchyleniem standardowym Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 16
Neutrony z rozszczepienia Fragmenty produkty rozszczepienia mają duży nadmiar neutronów Pozbywają się ich na dwa sposoby: Emitują neutrony natychmiastowe (ang. prompt) Zamieniają neutrony na protony w rozpadzie beta minus z czasem życia ~kilka sekund a produkty, które dalej są neutronowo nadmiarowe emitują neutrony opóźnione (ang. delayed) Pierwsze pozwalają wywołać reakcję łańcuchową a drugie pozwalają nią sterować Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 17
To rozkład Gaussa Rozkład liczby neutronów ze średnią = 2 3, różną dla różnych jąder ale z identycznym odchyleniem standardowym Neutrony opóźnione stanowią dla 235 U tylko 0.7% wszystkich neutronów i są średnio opóźnione o 12,5 sekundy Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 18
Przekrój czynny na rozszczepienie Bombardowanie U neutronami daje przekrój na rozszczepienie silnie rosnący ze zmniejszaniem energii neutronów (dla 235 U) Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 19
Widmo neutronów z 235 U Dobrze jest spowalniać neutrony dla 235 U Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 20
Reaktor jądrowy Schemat Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 21