Foton, kwant światła Wielkość fizyczna jest skwantowana jeśli istnieje w pewnych minimalnych (elementarnych) porcjach lub ich całkowitych wielokrotnościach w klasycznym opisie świata, światło jest falą sinusoidalną o częstości n równej: c gdzie: c prędkość światła, długość fali św. n postulat Einsteina, światło jest skwantowane a najmniejszą jego porcję stanowi cząstka foton o energii równej: E hn gdzie: h stała Planka h 6.6310 Js 4.1410 34 15 evs
Zjawisko fotoelektryczne Zjawisko fotoelektryczne (efekt fotoelektryczny) polega na emisji elektronów z powierzchni przedmiotu po naświetleniu jej promieniowaniem elektromagnetycznym (na przykład światłem widzialnym) o określonej częstości w zależności od rodzaju przedmiotu (elektron jest uwolniony z przedmiotu kiedy pochłonie kwant energii równy lub większy od pracy wyjścia).
Zjawisko fotoelektryczne E k(max) ev stop E k(max) nie zależy od natężenia światła
Zjawisko fotoelektryczne hn E k (max) F F praca wyjścia
Zjawisko Comptona Zjawisko Comptona (rozpraszanie komptonowskie) polega na rozpraszaniu promieniowania X i promieniowania g (promieniowania elektromagnetyczne o dużej częstotliwości) na swobodnych elektronach, w wyniku którego następuje zwiększenie długości fali promieniowania kosztem przekazania pędu do elektronu.
Zjawisko Comptona Fotony mają pęd: p hn c h przesunięcie comptonowskie D to różnica pomiędzy długością fali padającej, a długości fali rozproszonej i wyraża się wzorem: h D 1 cos mc
Światło jako fala prawdopodobieństwa doświadczenie Younga wersja standardowa Prawdopodobieństwo że w danej chwili w danej małej objętości wokół danego punktu fali świetlnej zostanie wykryty foton, jest proporcjonalne do kwadratu amplitudy wektora pola elektrycznego tej fali w danym punkcie wersja jednofotonowa źródło światła generuje jeden foton w przypadkowych chwilach nie umiemy powiedzieć gdzie ten foton padnie na ekranie umiemy określić prawdopodobieństwo padnięcia fotonu dla dowolnego punktu na ekranie http://kierul.wordpress.com/
Elektrony i fale materii długość fali de Broglie a h p fala materii tak samo jak fala elekromagnetyczna przekazuje pęd i energię punktowo z czasem zaobserwowano także zjawiska interferencji dla cięższych cząstek: protonów, neutronów, atomów Doświadczenie Davissona i Germera interferencja wiązki elektronów dla kolejnych przedziałów czasowych
Odkrycie jądra atomowego http://tap.iop.org/atoms/rutherford/ http://www.daviddarling.info/encyclopedia/r/rutherfords_ experiment_and_atomic_model.html Doświadczenie Rutherforda: niewielka część cząstek jest odbijana od cienkiej złotej foli, ukazując mały skoncentrowany w niewielkiej przestrzeni ładunek dodatni
Terminologia fizyki jądrowej Jądra atomowe są zbudowane z nukleonów: protonów (posiadających ładunek dodatni) i neutronów (obojętnych elektrycznie). Liczba protonów w jądrze jest oznaczona symbolem Z (liczba atomowa), liczba neutronów jest oznaczona symbolem N, łączna liczba protonów i neutronów w jadrze jest nazywana liczbą masową A. A Tylko niektóre układy nukleonów tworzą stabilne jądra. Z Nuklidy (wyodrębnione jądra) o tej samej liczbie atomowej Z, a różniące się liczbą neutronów nazywamy izotopami. Średni promień jądra dany jest wzorem r r A 1/ 0 3 N gdzie, r 0 = 1.2 fm (1fm femtometr = 10-15 m). Nuklid pierwiastka X oznaczamy symbolem A Z X
Energia wiązania jądra, defekt masy Masa M jądra jest mniejsza niż suma mas m tworzących je protonów i neutronów. Zatem, energia spoczynkowa jądra Mc 2 jest mniejsza niż suma energii spoczynkowych poszczególnych nukleonów mc energia wiązania: D E w 2 mc Mc 2 2
Prawo rozpadu promieniotwórczego Proces rozpadu promieniotwórczego jest zjawiskiem samoistnym. Liczba jąder, które ulegną rozpadowi w krótkim przedziale czasu proporcjonalna jest do liczby jąder N i do długości przedziału czasu, dt: dn Ndt gdzie jest współczynnikiem proporcjonalności zwanym stałą rozpadu. Całkując powyższe równanie otrzymujemy prawo rozpadu promieniotwórczego: N( t) N e 0 t gdzie N 0 jest początkową liczbą jąder promieniotwórczych, a N(t) liczbą jader, które po czasie t nie uległy jeszcze rozpadowi.
Prawo rozpadu promieniotwórczego Istnieją dwa parametry mówiące o czasie życia nuklidu promieniotwórczego: czas połowicznego zaniku (T 1/2 ) oraz średni czas życia (t). Czas połowicznego zaniku jest zdefiniowany jako wartość t, dla której N N 0 2. Wartości czasu połowicznego rozpadu i średniego czasu życia wiąże relacja: T ln 2 1/ 2 t ln 2
A Z rozpad 4 X 2Y A Z 4 2 4 2 He Rozpad a polega na emisji cząstek alfa. W wyniku takiego rozpadu jądro traci dwa protony oraz dwa neutrony, w związku z czym powstające po rozpadzie jądro ma liczbę atomową Z mniejszą o 2, a liczbę masową A o 4 od rozpadającego się jądra. Przykłady: Podczas rozpadu energia wiązania jest przekształcana w energię kinetyczną produktów rozpadu. He 234 4 226 222 4 210 206 92 U 90Th 2He, 88Ra 86Rn 2He, 84Po 82Pb 238 4 2 He http://dydaktyka.fizyka.umk.pl/pdf/msc/materialy/liceum-iv/jadro/naturalna.htm
rozpad b Rozpad beta minus (b ) to reakcja, w której emitowany jest elektron e - oraz antyneutrino. Neutron zostaje zastąpiony protonem. n e Przykłady: A Z X A Z 1 Y e n e 137 137 64 64 55 Cs 56Ba e n e, 29Cu30 Zn e n e Antyneutrino to cząstka antymaterii odpowiadająca cząstce neutrino. http://dydaktyka.fizyka.umk.pl/pdf/msc/materialy/liceum-iv/jadro/naturalna.htm
rozpad b Rozpad beta plus (b ) to reakcja, w której emitowany jest pozyton e + oraz neutrino. Proton zostaje zastąpiony neutronem. n e Przykłady: A Z X A Z 1 Y e n 22 22 18 18 11Na10Ne e e, 9 F 7Zn 2e e n 2n e Neutrino to cząstka obojętna, o masie spoczynkowej bliskiej zeru i słabo oddziałująca z materią. http://dydaktyka.fizyka.umk.pl/pdf/msc/materialy/liceum-iv/jadro/naturalna.htm
rozpad g Rozpad gamma to reakcja podczas której emitowane są fotony promieniowania g, a nie są emitowane inne cząstki. Promieniowanie g jest emitowane przez wzbudzone jądra pierwiastka pochodnego powstającego z rozpadu lub b, jako wynik powrotu jądra ze stanu wzbudzonego (o wyższej energii) do stanu podstawowego (o niższej energii). Przykład: 12 5 Be 12 6 C e n 12 6 C 12 6 C g http://dydaktyka.fizyka.umk.pl/pdf/msc/materialy/liceum-iv/jadro/naturalna.htm
Reakcje jądrowe Ogólnie reakcje jądrową zapisujemy w postaci: a X b Y gdzie a jest cząstką bombardującą, X jądrem - tarczą, b i Y odpowiednio cząstką i jądrem powstałym w wyniku reakcji. Cząstkami, które stosuje się do przeprowadzenia reakcji jądrowych, mogą być między innymi: protony lub neutrony, lekkie jądra izotopów wodoru lub helu, czy też wysokoenergetyczne kwanty promieniowania g. http://dydaktyka.fizyka.umk.pl/pdf/msc/materialy/liceum-iv/jadro/rozszczepienie.htm
Dawki promieniowania Skutki promieniowania g, elektronów i cząstek mogą być niebezpieczne dla organizmów żywych w szczególności nas samych. Źródła takiego promieniowania w przyrodzie: promieniowanie kosmiczne rozpad pierwiastków promieniotwórczych w skorupie ziemskiej działalność człowieka zastosowanie promieniowania rentgenowskiego i izotopów promieniotwórczych w medycynie i przemyśle Dawka pochłonięta (absorbowana) wyrażona jako energia promieniowania jonizującego na jednostkę masy napromieniowanej substancji. Jednostka: 1 Gy (grej) = 1 J/kg 3 Gy pochłonięte w krótkim czasie przez ludzkie ciało prowadzi do śmierci w 50% przypadków przeciętna dawka absorbowana przez współczesnego człowieka w ciągu roku wynosi około 0.002 Gy
Dawki promieniowania Różne rodzaje promieniowania mogą dostarczyć tą samą energię do organizmu ale z różnym skutkiem biologicznym. Powyższy fakt uwzględnia równoważnik dawki pochłoniętej wyrażony jako iloczyn dawki pochłoniętej i współczynnika WSB (względnej skuteczności biologicznej). Jednostka: 1 Sv (siwert), zalecenie Instytutu Ochrony Radiologicznej na rok powinniśmy dostawać nie więcej niż 0.005 Sv. rodzaj promieniowania WSB rentgenowskie 1 elektronów 1 powolne neutrony 5 cząstki 20