Podstawy fizyki subatomowej Zenon Janas Zakład Fizyki Jądrowej IFD UW ul. Pasteura 5 p..81 tel. 55 3 681 e-mail: janas@fuw.edu.pl http://www.fuw.edu.pl/~janas/fsuba/fizsub.htm
Zasady zaliczenia Obecność na wykładach i ćwiczeniach rachunkowych jest obowiązkowa. Cztery lub więcej nieusprawiedliwione nieobecności na ćwiczeniach lub wykładach powodują niezaliczenie przedmiotu. Przygotowanie do ćwiczeń rachunkowych będzie sprawdzane poprzez kartkówki. W ten sposób można zdobyć 6 punktów. Aktywność na ćwiczeniach będzie oceniana przez asystentów w skali od 0 do 4 punktów. Odbędą się dwa kolokwia z zadań rachunkowych. Z kolokwiów można zdobyć maksymalnie 0+0 40 punktów. Warunkiem zaliczenia przedmiotu jest zgromadzenie przynajmniej 30 punktów za ocenę z ćwiczeń i kolokwiów. Osoby, które nie zaliczyły ćwiczeń mogą przystąpić do kolokwium poprawkowego. W ocenie końcowej zostanie uwzględniona punktacja ze wszystkich kolokwiów.
Fizyka subatomowa Fizyka subatomowa zajmuje się badaniem własności i oddziaływań obiektów o rozmiarach mniejszych niż rozmiary atomów. Działy fizyki subatomowej: fizyka cząstek elementarnych fizyka jąder atomowych Większość zjawiska fizycznych w skali subatomowej może być opisywane jedynie w języku mechaniki kwantowej i fizyki relatywistycznej.
Plan wykładu Fizyka cząstek elementarnych Podstawowe składniki materii i oddziaływania fundamentalne Model Standardowy Symetrie i zasady zachowania Produkcja i rozpady cząstek elementarnych Metody akceleracji i detekcji cząstek Fizyka jąder atomowych Podstawowe własności jąder atomowych Model kroplowy jądra atomowego Ścieżka trwałości i parabole mas Prawo rozpadu promieniotwórczego, łańcuchy rozpadów Przemiany jąder atomowych: α, β, γ, rozszczepienie Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią Model powłokowy jądra atomowego
Podręczniki D.H. Perkins, "Wstęp do fizyki wysokich energii", PWN, 004 K. Krane, Introductory nuclear physics, John Wiley & Sons, 1988 A. Strzałkowski, Wstęp do fizyki jądra atomowego, PWN 1979 T. Mayer-Kuckuk, Fizyka jądrowa, PWN 1987 Zbiory zadań J. Araminowicz, Zbiór zadań z fizyki jądrowej, PWN 1980 T. Matulewicz, E. Skrzypczak, Fizyka subatomowa w zadaniach, Warszawa 003 T. Matulewicz, E. Skrzypczak, Kinematyka relatywistyczna w zadaniach, Warszawa 005 Strony www The Review of Particle Physics: http://pdg.web.cern.ch/pdg/
Pomiar stosunku e/m dla elektronu Joseph J. Thomson - 1897 r. Badanie odchylenia promieni katodowych w polu elektrycznym i magnetycznym J.J. Thomson (1856-1940) Nagroda Nobla 1906 r. e/m e 1.79 10 11 C/kg
Odkrycie promieniotwórczości naturalnej Henri Becquerel 1896 r. zaczernienie kliszy fotograficznej wywołane przez promieniowanie soli uranu H. Becquerel (185-1908) nagroda Nobla 1903 r. ilustracja wpływu pola magnetycznego na ruch cząstek emitowanych w rozpadach promieniotwórczych M. Skłodowska-Curie P. Curie Nagroda Nobla 1903 r.
Narodziny mechaniki kwantowej 1900 r. wzór Plancka opisujący promieniowanie ciała doskonale czarnego Promieniowanie może być emitowane i absorbowane tylko w określonych porcjach - kwantach M. Planck (1858-1947) Nagroda Nobla 1918 r. Stała Plancka h 6.66 10 34 J s
Wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego A. Einstein 1905 r. Energia promieniowania pochłaniana jest w postaci porcji (kwantów) energii równych hν E k h ν Φ A. Einstein (1879-1955) Nagroda Nobla 191 r.
Odkrycie jądra atomowego Ernest Rutherford 1911 r. Badanie rozpraszania cząstek alfa na folii ze złota. folia Au obserwacja scyntylacji źródło cząstek alfa E. Rutherford (1871-1937) Nagroda Nobla 1908 r. za badania promienitwórczości Atom zwiera w sobie dodatnio naładowane centrum (jądro), w którym skupia się prawie cała jego masa.
Model atomu wodoru Niels Bohr - 1913 r. n 3 n n 1 Postulaty Bohra moment pędu elektronu na orbicie stacjonarnej jest skwantowany m vr n h π przejściu elektronu z orbity wyższej na niższą towarzyszy emisja kwantu promieniowania o częstotliwości N. Bohr (1885-196) Nagroda Nobla 19 r. hν E E 1
Fale materii L. de Broglie 194 r. z cząstką o pędzie p stowarzyszona jest fala o długości Przykład 1 Przykład λ h p Ciało o masie 1 kg, poruszające się z prędkością 1 m/s λ h m 6.6 10 s v 1kg 1m/ s 34 J 34 6.6 10 elektron poruszający się z prędkością 0.1c m L. de Broglie (189-1987) Nagroda Nobla 199 r. λ h m 6.6 10 9.1 10 3 10 s 31 7 v kg m/ s 34 J 10 0.4 10 m
Szczególna teoria względności A. Einstein - 1905 r. równoważność masy i energii E mc m c 0 ( v/ ) 1 c dylatacja czasu t t 0 ( v/ ) 1 c skrócenie długości x x ( v ) 0 / 1 c
Współczesne sformułowanie mechaniki kwantowej E. Schrodinger (1887-1961) Nagroda Nobla 1933 r. W. Heisenberg (1901-1976) Nagroda Nobla 193 r. P. Dirac (190-1984) Nagroda Nobla 1933 r.
Postulaty mechaniki kwantowej prawdopodobieństwo znalezienia cząstki w objętości dv opisywane jest przez wyrażenie: dv t r ) Ψ( r, postać funkcji falowej określa równanie Schrödingera stan układu w dowolnej chwili można opisać funkcją falową ), ( t r r Ψ t t x i t x t x V x m Ψ Ψ + ), ( ), ( ), ( h h każdej fizycznej obserwabli odpowiada operator.  A w wyniku pomiaru obserwabli A otrzymujemy wartości a, które są wartościami własnymi operatora  ), ( ), ( ˆ t r a t r A r r Ψ Ψ
Zasada nieoznaczoności Heisenberga Zasada nieoznaczoności mówi, że nie można jednocześnie z dowolną dokładnością określić pewnych par wielkości fizycznych np. położenia i pędu, energii i czasu: gdzie x p E x t 1 h 1 h h h 1.05 10 π 34 J s 6.58 10 MeV s
Dyfrakcja fali na pojedynczej szczelinie x x x d θ sin θ p p x p λ h -8 x 14 1 10 8 6 4 0 - -4-6 -10-1 -14 I ( θ ) 0.0 0. 0.4 0.6 0.8 1.0 d d sin πd sinθ λ πd sinθ λ I( θ ) 0 dla πd sinθ π λ πd sin λ θ π x λ p x λ x p h x π π h x p x π h
Odkrycie promieniowania kosmicznego Victor F. Hess 191 r. Promieniowanie kosmiczne wysokoenergetyczne cząstki docierające do Ziemi z kosmosu, 90% - protony, 9% - cząstki alfa, 1% - cięższe jądra V. F. Hess (1883-1964) Nagroda Nobla 1936 r. LHC 7 TeV
Odkrycie pozytonu (antymaterii) Carl D. Anderson 193 r. 6 mm Pb C. D. Anderson (1905-1991) Nagroda Nobla 1936 r. Fotografia śladu pozytonu w komorze mgłowej. Zakrzywienie toru jest spowodowane obecnością pola magnetycznego.
Odkrycie neutronu James Chadwick - 193 r. J. Chadwick (1891-1974) nagroda Nobla 1935 r. Obserwacja protonów wybijanych z parafiny przez ciężkie, nienaładowane cząstki (neutrony) produkowane w reakcji cząstek alfa z jądrami berylu.
Pierwsza obserwacja neutrin 1930 r. W. Pauli hipoteza istnienia neutrin 1956 r. - C. Cowan, F. Reines Obserwacja neutrin reaktorowych w reakcji ν e + p n + e + C. Cowan (1919-1954) Nagroda Nobla 1995 r. 400 litrów scyntylatora 110 fotopowielaczy F. Reines (1918-1998) Nagroda Nobla 1995 r.
Model kwarkowy 1964 r. - M. Gell-Mann G. Zweig u u d hadrony d Murrey Gell-Mann (199- ) u Nagroda Nobla 1969 r. mezony Ostatni kwark (t) znaleziono w 1995 r. George Zweig (1937- )
Obserwacja bozonów W ± i Z 0 1983 r. C. Rubbia S. van der Meer C. Rubbia (1934-) nagroda Nobla 1984 Obserwacja rozpadu bozonu Z 0 produkowanego w zderzeniach p + p Z 0 e + + e S. van der Meer (195-) nagroda Nobla 1984
Obserwacja bozonu Higgsa 01 r. eksperymenty CMS i ATLAS na LHC w CERN obserwacja rozpadu 15.5 GeV/c H 0 γ + γ
Model Standardowy Model Standardowy opisuje silne, słabe i elektromagnetyczne oddziaływania i własności cząstek subatomowych. cząstki elementarne MS: leptony, kwarki, bozony pośredniczące oddziaływania: elektromagnetyczne, słabe, silne Formalizmy: teoria oddziaływań elektrosłabych chromodynamika kwantowa (QCD)
Cząstki elementarne Modelu Standardowego leptony e µ τ γ bozony pośredniczące ν e ν µ ντ W Z kwarki g u c t bozon Higgsa d s b H 0
Oddziaływania fundamentalne Rodzaj oddziaływania Źródło Względne natężenie Zasięg Grawitacyjne masa 10-38 Słabe Elektromagnetyczne Silne ładunek słaby 10-5 10-18 m ładunek elektryczny 10 - ładunek kolorowy 1 10-15 m
Uwagi w układach subatomowych można zaniedbać wpływ oddziaływania grawitacyjnego. oddziaływanie elektromagnetyczne i grawitacyjne mają nieskończony zasięg. oddziaływanie grawitacyjne jest zawsze przyciągające. oddziaływanie elektromagnetyczne może być przyciągające i odpychające. Prowadzi to do ekranowania ładunków. oddziaływanie silne jest przyciągające oddziaływanie słabe jest odpowiedzialne za przemiany jednych cząstek w inne.
Formy organizacji materii proton neutron u u r 1.35 10-15 m u d d d jądro atomowe: Z - protonów, N - neutronów 38 U Z 9 N146 r 7 10-15 m 7 fm
atomy atom węgla 6 protonów w jądrze 6 elektronów r 0.7 10-10 m 0.7 A związki chemiczne H 0 r 1 10-10 m
kryształy NaCl 11 10-10 m cząsteczki DNA nanostruktury r 1 10-9 m 1 10-4 m
Obiekty astronomiczne planety Ziemia r 6.4 10 6 m gwiazdy Słońce r 7 10 8 m galaktyki galaktyka M101 r 8 10 0 m
Oddziaływania i pola w fizyce subatomowej w fizyce klasycznej oddziaływanie elektrostatyczne opisuje się przy pomocy pola wytworzonego przez jedną cząstkę oddziałującą na drugą: F r Q1 Q x F k 1 Q x x Q 1 w kwantowej teorii pola E-M oddziaływanie między ładunkami wiąże się z wymianą wirtualnych fotonów o pędzie p: p F r Q 1 Q
c x t i może istnieć w czasie: Absorpcja lub emisja fotonu o pędzie p wywołuje działanie siły: Foton wirtualny o pędzie p może przebyć odległość x określoną przez zasadę nieoznaczoności: h/ x p W kwantowych teoriach pola oddziaływanie cząstek opisujemy poprzez wymianę wirtualnych kwantów (bozonów pośredniczących) związanych z danym oddziaływaniem. 1 / / x x c x c x t p F h h p
Zasięg oddziaływania a masa bozonu pośredniczącego zasada nieoznaczoności narzuca ograniczenie: E t h/ przyjmując E mc x c t otrzymujemy E x t hc mc x h c 197 mc mc MeV fm im cięższy bozon, tym krótszy zasięg oddziaływania!
Przykład Oddziaływanie słabe ma zasięg rzędu 10-18 m. Oszacować masę bozonu pośredniczącego będącego nośnikiem tego oddziaływania. x hc 197 MeV fm mc mc mc 197 x MeV fm 197 MeV 10 10-18 -15 m m 100 GeV