Dwie lub więcej cząstek poza zamkniętą powłoką

Podobne dokumenty
Model uogólniony jądra atomowego

Podstawowe własności jąder atomowych

Jądra o dużych deformacjach. Jądra o wysokich spinach.

Zagadnienia do egzaminu licencjackiego

Modele jądra atomowego

Reakcje jądrowe. X 1 + X 2 Y 1 + Y b 1 + b 2

RECENZENT Jan Kownacki. REDAKTOR INICJUJĄCY Beata Koźniewska. SKŁAD I ŁAMANIE Jarosław Perkowski. KOREKTA TECHNICZNA Leonora Wojciechowska

Elementy Fizyki Jądrowej. Wykład 3 Promieniotwórczość naturalna

Słowniczek pojęć fizyki jądrowej

Fizyka promieniowania jonizującego. Zygmunt Szefliński

2008/2009. Seweryn Kowalski IVp IF pok.424

Odkrycie jądra atomowego - doświadczenie Rutherforda 1909 r.

2008/2009. Seweryn Kowalski IVp IF pok.424

Reakcje jądrowe. kanał wyjściowy

Atomowa budowa materii

Badanie Gigantycznego Rezonansu Dipolowego wzbudzanego w zderzeniach ciężkich jonów.

Pomiar energii wiązania deuteronu. Celem ćwiczenia jest wyznaczenie energii wiązania deuteronu

E 2 E = 2. Zjawisko Mössbauera. Spoczywające jądro doznaje przejścia e-m z emisją fotonu γ. Zastosujmy zasadę zachowania energii i pędu:

Pψ ψ ψ. r p r p. r r, θ π θ, ϕ π + ϕ. , 1 l m

CHEMIA LEKCJA 1. Budowa atomu, Izotopy Promieniotwórczość naturalna i sztuczna. Model atomu Bohra

Energetyka konwencjonalna odnawialna i jądrowa

Jądra o wysokich energiach wzbudzenia

Mechanika kwantowa. Jak opisać atom wodoru? Jak opisać inne cząsteczki?

Zjawisko Dopplera w fizyce jądrowej. 3.1 Wstęp. (opracowany na podstawie podręcznika Mayera-Kuckuka [8])

Techniki Jądrowe w Diagnostyce i Terapii Medycznej

Jądra o wysokich energiach wzbudzenia

WSTĘP DO FIZYKI JADRA ATOMOWEGOO Wykład 9. IV ROK FIZYKI - semestr zimowy Janusz Braziewicz - Zakład Fizyki Medycznej IF AŚ

OCHRONA RADIOLOGICZNA PACJENTA. Promieniotwórczość

I ,11-1, 1, C, , 1, C

CHEMIA 1. INSTYTUT MEDICUS Kurs przygotowawczy na studia medyczne kierunek lekarski, stomatologia, farmacja, analityka medyczna ATOM.

Właściwości chemiczne i fizyczne pierwiastków powtarzają się w pewnym cyklu (zebrane w grupy 2, 8, 8, 18, 18, 32 pierwiastków).

Fizyka 2. Janusz Andrzejewski

Promieniowanie jonizujące

Promieniowanie jonizujące

Budowa atomu. Izotopy

Własności jąder w stanie podstawowym

Podstawy fizyki subatomowej. 3 kwietnia 2019 r.

Autorzy: Zbigniew Kąkol, Piotr Morawski

Fizyka współczesna. Jądro atomowe podstawy Odkrycie jądra atomowego: 1911, Rutherford Rozpraszanie cząstek alfa na cienkich warstwach metalu

Rozpad alfa. albo od stanów wzbudzonych (np. po rozpadzie beta) są to tzw. długozasięgowe cząstki alfa

Rozpady promieniotwórcze

A - liczba nukleonów w jądrze (protonów i neutronów razem) Z liczba protonów A-Z liczba neutronów

Liczby kwantowe elektronu w atomie wodoru

Energetyka Jądrowa. Wykład 3 14 marca Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów

FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych

że w wyniku pomiaru zmiennej dynamicznej A, której odpowiada operator αˆ otrzymana zostanie wartość 2.41?

Spektroskopia magnetyczna

Pierwsza eksperymentalna obserwacja procesu wzbudzenia jądra atomowego poprzez wychwyt elektronu do powłoki elektronowej atomu.

Atom wodoru. Model klasyczny: nieruchome jądro +p i poruszający się wokół niego elektron e w odległości r; energia potencjalna elektronu:

Wykład 5 Widmo rotacyjne dwuatomowego rotatora sztywnego

r. akad. 2012/2013 Wykład IX-X Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich Fizyka jądrowa Zakład Biofizyki 1

SYMULACJA GAMMA KAMERY MATERIAŁ DLA STUDENTÓW. Szacowanie pochłoniętej energii promieniowania jonizującego

Metodyka eksperymentów w badaniach jąder o dużej deformacji

Badania eksperymentalne kolektywnej struktury nuklidów z pobliża jąder magicznych- 40 Ca i 56 Ni, przy wysokim spinie

Elektronowa struktura atomu

Fizyka jądrowa. Podstawowe pojęcia. Izotopy. budowa jądra atomowego przemiany promieniotwórcze reakcje jądrowe. jądra atomowe (nuklidy) dzielimy na:

Budowa atomów. Atomy wieloelektronowe Układ okresowy pierwiastków

Podstawy Fizyki Jądrowej

Elementy Fizyki Jądrowej. Wykład 8 Rozszczepienie jąder i fizyka neutronów

Metody analizy pierwiastków z zastosowaniem wtórnego promieniowania rentgenowskiego. XRF, SRIXE, PIXE, SEM (EPMA)

i. m.henr n yka N ie i wod o n d i n c i zańs ń kie i go

Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią

Reakcje jądrowe dr inż. Romuald Kędzierski

Cząstki elementarne. Składnikami materii są leptony, mezony i bariony. Leptony są niepodzielne. Mezony i bariony składają się z kwarków.

WYKŁAD 15. Gęstość stanów Zastosowanie: oscylatory kwantowe (ª bosony bezmasowe) Formalizm dla nieoddziaływujących cząstek Bosego lub Fermiego

Foton, kwant światła. w klasycznym opisie świata, światło jest falą sinusoidalną o częstości n równej: c gdzie: c prędkość światła, długość fali św.

Promieniowanie jonizujące

Statystyka nieoddziaływujących gazów Bosego i Fermiego

Oddziaływanie cząstek z materią

Zadania powtórkowe do egzaminu maturalnego z chemii Budowa atomu, układ okresowy i promieniotwórczość

Rozpad gamma. Przez konwersję wewnętrzną (emisję wirtualnego kwantu gamma, który przekazuje swą energię elektronom z powłoki atomowej)

Spis treści. Trwałość jądra atomowego. Okres połowicznego rozpadu

Spin jądra atomowego. Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 1

doświadczenie Rutheforda Jądro atomowe składa się z nuklonów: neutronów (obojętnych elektrycznie) i protonów (posiadających ładunek dodatni +e)

Fizyka kwantowa. promieniowanie termiczne zjawisko fotoelektryczne. efekt Comptona dualizm korpuskularno-falowy. kwantyzacja światła

Badanie schematu rozpadu jodu 128 I

3. Jaka jest masa atomowa pierwiastka E w następujących związkach? Który to pierwiastek? EO o masie cząsteczkowej 28 [u]

W-28 (Jaroszewicz) 36 slajdy Na podstawie prezentacji prof. J. Rutkowskiego. Fizyka jądrowa cz. 1. budowa jądra atomowego przemiany promieniotwórcze

Atomy mają moment pędu

Spis treści. Przedmowa redaktora do wydania czwartego 11

Poziom nieco zaawansowany Wykład 2

Diagnostyka plazmy - spektroskopia molekularna. Ewa Pawelec wykład dla pracowni specjalistycznej

Wykład Atom o wielu elektronach Laser Rezonans magnetyczny

SPEKTROSKOPIA IR I SPEKTROSKOPIA RAMANA JAKO METODY KOMPLEMENTARNE

Energetyka Jądrowa. Wykład 28 lutego Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów

1. JĄDROWA BUDOWA ATOMU. A1 - POZIOM PODSTAWOWY.

INSTYTUT FIZYKI WYDZIAŁ INŻYNIERII PROCESOWEJ, MATERIAŁOWEJ I FIZYKI STOSOWANEJ POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA ĆWICZENIE NR MR-6

Badanie schematu rozpadu jodu 128 J

Efekt Comptona. Efektem Comptona nazywamy zmianę długości fali elektromagnetycznej w wyniku rozpraszania jej na swobodnych elektronach

Budowa atomu Poziom: rozszerzony Zadanie 1. (2 pkt.)

Wybrane zagadnienia fizyki subatomowej

autor: Włodzimierz Wolczyński rozwiązywał (a)... ARKUSIK 40 FIZYKA JĄDROWA

Fizyka jądrowa. Podstawowe pojęcia

NEUTRONOWA ANALIZA AKTYWACYJNA ANALITYKA W KONTROLI JAKOŚCI PODSTAWOWE INFORMACJE O REAKCJACH JĄDROWYCH - NEUTRONOWA ANALIZA AKTYWACYJNA

Jądro atomowe A 1/ cm r j. promienie jąder r j. = r o. promienie atomowe r at cm. masa jądra m j.

Teoria Fermiego rozpadu beta (1933)

Elektronowa struktura atomu

Zad Sprawdzić, czy dana funkcja jest funkcją własną danego operatora. Jeśli tak, znaleźć wartość własną funkcji.

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

Transkrypt:

Dwie lub więcej cząstek poza zamkniętą powłoką Rozważmy dwa (takie same) nukleony (lub dwie dziury) na orbitalu j poza zamkniętymi powłokami. Te dwie cząstki mogą sprzęgać się do momentu pędu J = j + j, który może przyjmować na ogół różne wartości. Gdyby cząstki były naprawdę niezależne, energie tych wszystkich możliwych stanów byłyby takie same! W rzeczywistości w grę wchodzą oddziaływania resztkowe, które pomijaliśmy do tej pory. Okazuje się, że spośród wszystkich możliwości, preferują one sprzężenie dwóch takich samych nukleonów, na tym samym orbitalu, do stanu J π = 0 +. Gdy mamy dwa takie same nukleony (lub dwie dziury) na niezapełnionym orbitalu, to stan podstawowy takiego jądra jest J π = 0 +. Z tej przyczyny stan podstawowy każdego jądra parzysto-parzystego jest 0 +. 36

Gdy mamy trzy takie same nukleony poza zamkniętymi powłokami, to stan podstawowy jądra określony jest przez nieparzysty nukleon. Reguła ta bywa słuszna też przy większej nieparzystej liczbie nukleonów ( izotopy wapnia i cyrkonu) 37

Stany wzbudzone jąder mogą mieć różną naturę. Nie wszystkie przypadki da się łatwo wyjaśnić na gruncie modelu powłokowego. stany jednocząstkowe (model powłokowy) stany rotacyjne stany wibracyjne 38

Przejścia elektromagnetyczne (gamma) w jądrach i J π i Podczas procesu e-m całkowity moment pędu musi być zachowany. Załóżmy, że emitowany jest kwant gamma. Może on wynieść moment pędu: E J i J f L Ji + J f multipolowość przejścia (L) f J π f Foton ma spin, więc przejścia 0 0 z emisją fotonu są niemożliwe! Przejścia elektromagnetyczne dzielą się na dwa typy: elektryczne (E) i magnetyczne (M), różniące się zmianą parzystości : ( ) ( ) L przejście E π = π i π f = L+ przejście M typ przejścia (σ) Prawdopodobieństwo przejścia szybko maleje ze wzrostem multipolowości, spośrod możliwych przejść dominują więc te o najmniejszym L. 39

Prawdopodobieństwo przejścia e-m z emisją fotonu, na jednostkę czasu, dane jest wyrażeniem: L+ L + E λ ( σ L) = B σ L J J ε0ħ L ( L )!! c + ħ ( ; i f ) T = ln λ E energia przejścia ( ; i f ) B σ L J J zredukowane prawdopodobieństwo przejścia B ( σ L; J J ) J M ( σ L) J J + f i f f i i ( σ ) J M L J i zredukowany element macierzowy operatora odpowiedzialnego za przejście. ˆ j m O j m = j m, L M j m j Oˆ j j + LM L twierdzenie Wignera-Eckarta czynnik geometryczny zredukowany element macierzowy 40

W celach praktycznych podaje się wyrażenie na stałą rozpadu wstawiając wartości stałych fizycznych i ustalając jednostki elementów macierzowych W przypadku przejść elektrycznych EL: λ e 4 c εħ 0 0 λ = π 4π cα 4πε ħc e = e ( ) ( ) = e B EL [ MeV] L+ fm L L + E E L c B ( E L) e L ( L + )!! 97.3 ( ) L+ L + E λ ( σ L) = B σ L J J ε0ħ L ( L )!! c + ħ ( ; i f ) L = 8π α fm [ MeV] L+ L + E L E L = 5.50 0 B ( E L) e fm L ( L )!! 97.3 + s Na przykład dla przejścia E: 5 ( ) ( ) ( ) [ ] λ E =. 0 E MeV B E e fm s 9 4 4

L+ L + E λ ( σ L) = B σ L J J ε0ħ L ( L )!! c + ħ ( ; i f ) W przypadku przejść magnetycznych ML: ( ) B ML µ N = c fm L µ = N eħ m p m c e 4π c p α π c ħ c = = 0ħ 4 0ħc e ħ mpc ( N c) mpc ε πε µ ħ mpc = λ ( ML) 938.7 MeV ( ħ ) ( mpc ) L ( L + ) [ MeV] L+ α π c c L + E µ N L = B ( M L) fm!! 97.3 c λ ( ML) [ MeV] L+ 0 L + E µ N L B ( M L) = 6.08 0 fm L ( L + )!! 97.3 c s 4

Skalę dla zredukowanych prawdopodobieństw przejść ujawniają wartości obliczone przy założeniu, że przejście e-m związane jest ze zmianą stanu jednego nukleonu. Tak obliczone wartości jednocząstkowe pełnią ważną rolę przy ocenie natury obserwowanych przejść. Jednocząstkowe oszacowania zredukowanych prawdopodobieństw przejść to tzw. jednostki Weisskopfa ( W.u.): L. 3 BW ( EL) = A e 4π L + 3 fm L 3 L L ( L ) 3 L ( µ N ) 0 3 BW ( ML) =. A c fm π L + 3 Na przykład dla dla przejścia E: 4. 3 BW ( E) = A e fm = 5.94 0 A e fm 4π 5 4 3 4 4 3 4 43

Zestawienie prawdopodobieństw przejść i jednostek Weisskopfa w praktycznej formie L EL λ ( EL)[ s ] B ( EL)[ e ] fm E 5 3.59 0 E B( E) E 9 5. 0 E B( E) E 3 7 5.70 0 E B( E3) E 4 4.69 0 9 B( E4) E W 3 6.45 0 A 4 3 5.94 0 A 5.94 0 A 8 3 6.9 0 A Energia fotonu E w MeV ML ( ML)[ s ] [ fm ] L λ BW ( ML) ( µ N c) M 3 3.78 0 E B( M). 79 M 7 5.37 0 E B( M ).65 A M 3 0 7 6.39 0 E B( M 3) 4.65 A M 4 6.90 0 9 B( M 4).75A E 3 3 44

Omówiliśmy prawdopodobieństwo przejścia gamma. Nie jest to jednak jedyny proces elektromagnetyczny jaki może zajść podczas przejścia między dwoma stanami jądra. Jeśli jądro otoczone jest powłokami atomowymi, a tak zazwyczaj jest, to energia wydzielona podczas przejścia między stanami jądrowymi może zostać w całości i bezpośrednio przekazana jednemu z elektronów orbitalnych. Zjawisko takie nosi nazwę konwersji wewnętrznej. Proces wewnętrznej konwersji może zajść tylko wtedy, gdy energia przejścia jest większa od energii wiązania elektronu w atomie. Elektron bowiem uzyskuje energię kinetyczną: e e ( ) E = E B nl nl opisuje stan początkowy elektronu Prawdopodobieństwo zajścia tego procesu opisują współczynniki wewnętrznej konwersji: α nl λe λ ( nl) współczynniki konwersji wewnętrznej (ICC) 45

Współczynniki konwersji zależą od powłoki elektronowej, od energii przejścia oraz od jego typu i multipolowości. Jeśli nie specyfikujemy powłoki z jakiej wyrzucany jest elektron, to musimy dodać wszystkie możliwe przyczynki: αtot = αk + αl + αm + α = α + α + α L L L L3 α = α + α +,, + α M M M M 5 Całkowite prawdopodobieństwo przejścia na jednostkę czasu jest sumą możliwych składników: λ λ λ tot = + = λ + λ α = λ ( + α ) e tot Całkowity (i obserwowany) okres półrozpadu będzie równy: tot λ = λ tot ( + α ) tot T ln ln T = = = λ λ α α ( + ) ( + ) tot tot tot T ( ) = + α T tot Współczynniki konwersji są dość dokładnie i wiarygodnie obliczane, zależą one bowiem tylko od stanów atomowych i są skutkiem dobrze znanych oddziaływań elektromagnetycznych. 46

Tablice współczynników konwersji: http://ie.lbl.gov/toi.htm Atomic data http://ie.lbl.gov/atom.htm 47

Przykład : Przejścia między stanami 80 Hf Przejścia między stanami o J = i π = + + + 0 możliwe jest tylko przejście E + + 4 E, M3, E4, M5, E6 + + + + Podobnie w przejściach 6 4, 8 6, dominować będą przejścia typu E. Analizujemy przejścia E o energiach: E = 0.093 MeV E = 0.5 MeV E 3 = 0.33 MeV E 4 = 0.443 MeV α tot = 4.79 α tot = 0.3 α tot = 0.059 α tot = 0.07 48

Obliczamy wartości B(E) korzystając ze wzoru: 5 ( ) ( ) ( ) [ ] λ E =. 0 E MeV B E e fm s 9 4 i porównujemy z jednocząstkowym oszacowaniem Weisskopfa: W 4 3 4 ( ) = 5.94 0 fm B E A e E [MeV] T [s] 9 0.093.5 0 4. 79 0.5 0.33 0.443 75. 0 9.0 0. 0 α tot 0.3 0.059 0.07 T [s] [s ] B W] [ fm 4 e 9 6 8.80 0 78.8 0 984 60. 4 9.5 0 9.55 0.7 0 λ B ( E) ( E) 7.49 0 7.5 0 9 3.0 0 0 3360 60.4 4730 60.4 5370 60.4 Wartości B(E) są ok. 00 razy większe od oszacowań jednocząstkowych! Są to przejścia o charakterze kolektywnym! Bierze w nich udział wiele nukleonów! W przypadku 80 Hf mamy do czynienia ze stanami rotacyjnymi. 49

Jądro atomowe może być zdeformowane i wtedy może się obracać. Energie stanów rotacyjnych jąder parzysto-parzystych o trwałej deformacji dane są wyrażeniem: E ħ J rot = J J + ( ) Obliczmy stosunek energii stanu 4 + do energii stanu + : E E rot rot ( ) ( ) ( + ) ( + ) 4 4 4 0 = = = 3.33 6 Ta charakterystyczna liczba pozwala łatwo ustalić rotacyjną naturę nisko leżących stanów wzbudzonych. Charakterystyczne pasma rotacyjne obserwuje się w b. wielu jądrach. 80 7Hf 08 50

Przykład : Odkrycie superdeformacji w 5 Dy Stany wzbudzone w izotopach dysprozu populowano w reakcji Ca + Pd Dy + xn 48 08 56 xn 0 46 66 Spektroskopia (wielolicznikowy układ detektorów Ge) ujawniła pasmo rotacyjne wskazujące na wielką deformację (stosunek półosi :) Twin et al., PRL 57 (986) 8 5

Wibracje kształtu Innym rodzajem kolektywnych wzbudzeń jądra są drgania (wibracje) kształtu. Powierzchnię jądra i jej zmiany w czasie można opisać przez: λ R t R0 a t Y λ µ = λ ( θ, ϕ; ) = + ( ) ( θ, ϕ ) λ = λ = λµ λµ drgania dipolowe przesuwanie środka masy odrzucamy Ale uwaga! Środek masy protonów może się przesuwać względem środka masy neutronów! Gigantyczny rezonans dipolowy drgania kwadrupolowe λ = 3 drgania oktupolowe 5

Małe drgania wokół położenia równowagi mają charakter harmoniczny. W opisie kwantowym drgań kwadrupolowych (λ = ), elementarne wzbudzenie (fonon) ma spin i parzystość + Dwa fonony + mogą utworzyć stany 0 +, +, 4 + Trzy fonony + mogą utworzyć stany 0 +, +, 3 +, 4 +, 6 + Przykład : 0 5 Te Przewidywanie dla jądra parz.-parz. w przybliżeniu doskonałego oscylatora harmonicznego: 3E qph 0 +, +, 3 +, 4 +, 6 + E qph 0 +, +, 4 + E qph + 0 0 + E 4 E = Stosunek energii stanu 4 + do energii stanu + : ( ) ( ) vib vib 53

Systematyczny przegląd wartości E(4 + )/E( + ) dla wielu znanych jąder rotacje wibracje 54

Izomeria jądrowa Stany jądrowe o długim (mierzalnym bezpośrednio) czasie życia nazywamy izomerami. Znamy b. wiele takich stanów o półokresach rozpadu między ~ ns a 0 6 lat. Przykład : izomer w 37 Ba Dobrze znana linia wykorzystywana jako standard kalibracyjny (źródło 37 Cs) Obserwacja przejścia z dwoma kwantami poprzez stany wirtualne Walz et al., Nature 56 (05) 406 55

Przykład : izomer w 80 Ta Jedyny nuklid występujący w naturze tylko w postaci izomeru (w stanie wzbudzonym). Znana jest tylko dolna granica jego półokresu rozpadu. Jest to także najrzadszy (meta)trwały nuklid w przyrodzie (tantal jest najrzadszym pierwiastkiem) Bezpośredniej deekscytacji poprzez przejścia typu E7 i M8 nie obserwowano Za pomocą wiązki fotonów udało się wymusić depopulację izomeru poprzez stany o wyższej energii (jądrowe baterie, laser?) E7 M8 kev 56