Elementy
fizyki jądrowej
Wykład 1.
dr Dorota Wierzuchowska, [email protected]eu
FIZYKA
Fizyka (z gr. φύσις physis - "natura") jako
nauka o przyrodzie w najszerszym
znaczeniu tego słowa jest podstawą
wszystkich nauk przyrodniczych. Jest
nauką o właściwościach materii
i o zjawiskach zachodzących w przyrodzie.
Bada fundamentalne i uniwersalne
właściwości materii, ogólne prawa, którym
podlega przebieg wszelkich procesów.
FIZYKA

Fizycy badają właściwości i przemiany materii i
energii oraz oddziaływanie między nimi. Do
opisu zjawisk fizycznych używają wielkości
fizycznych, wyrażonych za pomocą pojęć
matematycznych, takich jak liczba, wektor,
tensor. Tworząc hipotezy i teorie fizyki, budują
relacje pomiędzy wielkościami fizycznymi.
Fizyka wyjaśnia podstawowe zależności
występujące w przyrodzie.
Wielki Wybuch- BIG BANG
G.Gamow, R.Alpher 1947


model powstania
Wszechświata uznawany za
najbardziej prawdopodobny
Według tego modelu ok. 13,73
mld lat temu dokonał się Wielki
Wybuch - z bardzo gęstej i
gorącej osobliwości
początkowej wyłonił się
Wszechświat (przestrzeń,
czas, materia, energia i
oddziaływania).
Pierwsze sekundy życia Wszechświata


w chwili narodzin Wszechświat, przy ogromnej
temperaturze 1032 kelwinów, był dziesięciowymiarowym
tworem, w którym zjednoczone były wszystkie
oddziaływania i istniała jedna wielka symetria GUT.
Świat ten był jednak niestabilny i po 10-43 sekundy
rozpadł się na cztero- i sześciowymiarowy.
Sześciowymiarowy zapadł się do rozmiaru 10-32
centymetra, a nasz czterowymiarowy, początkowo o
gęstości 1097kg/m3 zaczął się gwałtownie rozszerzać.


Po 10-35 sekundy silne oddziaływania oddzieliły się od
elektrosłabych, a niewielki fragment większego
wszechświata rozszerzył się 1050 razy, stając się
ostatecznie naszym widzialnym Wszechświatem. Takie
gwałtowne rozszerzenie opisywane jest przez teorię
inflacji kosmologicznej.
Po upływie dalszego ułamka sekundy oddziaływania
elektrosłabe rozpadły się na elektromagnetyczne i słabe,
a następnie, pod koniec pierwszej sekundy, gdy
temperatura spadła już do 1014 kelwinów, kwarki zaczęły
się łączyć w protony i neutrony i Wszechswiat
zbudowany był już z materii (pod postacią plazmy)
niewiele różniącej się od obecnie występującej (tworzyły
ją protony, neutrony, elektrony, neutrina i fotony). Po ok.
100 s od chwili początkowej zaczęły powstawać jądra
złożone (deuter).
Dowody potwierdzające teorię
Wielkiego Wybuchu
Za hipotezą Wielkiego Wybuchu
przemawia wiele danych doświadczalnych
- przede wszystkim istnienie praktycznie
jednorodnego mikrofalowego
promieniowania tła (reliktowe
promieniowanie) oraz ciągłe rozszerzanie
się wszechświata (przesunięcie ku
czerwieni, prawo Hubble’a).
Reliktowe promieniowanie,
mikrofalowe promieniowanie tła

izotropowe promieniowanie cieplne wszechświata. Promieniowanie
reliktowe jest pozostałością po wysokoenergetycznych kwantach
gamma wypełniających wczesny Wszechświat wg modelu Wielkiego
Wybuchu.
Ze względu na znaczną wartość przesunięcia ku czerwieni, energia
tych fotonów odpowiada dziś promieniowaniu ciała doskonale
czarnego o temperaturze 2,7 K (leży w zakresie mikrofal, maksimum
rozkładu odpowiada długości fali 0,1 cm). Istnienie promieniowania
reliktowego przewidywał G.A. Gamow oraz astrofizycy amerykańscy
z Princeton R.H. Dicke i P.J.E. Peebles, przypadkowo odkryli je A.
Penzias i R.W. Wilson (1965, Nagroda Nobla 1978).
Przesunięcie ku czerwieni- z

zjawisko obserwowanej doświadczalnie zmiany
położenia linii widmowych w widmach
elektromagnetycznych odległych obiektów
astronomicznych. Zmiana położenia polega na
proporcjonalnym przesunięciu z = Δλ/λ
całego widma w kierunku dłuższych fal, co dla światła
oznacza przesunięcie w kierunku czerwonej części
widma (stąd nazwa).

Przesunięcie ku czerwieni interpretowane jest jako efekt
Dopplera dla fal rozchodzących się w rozszerzającym
się wszechświecie (Hubble’a prawo).
Najdalsza zaobserwowana
galaktyka
widoczna jako blado
czerwona smuga.
Posiada ona największe
przesunięcie ku czerwieni
(z = 4,92), jej obraz został
zniekształcony poprzez
oddziaływanie
grawitacyjne pobliskich
galaktyk.
Zdjęcie z kosmicznego
teleskopu Hubble'a.
Autor: NASA
10-20
10-10
100
1010
Rozmiar [m]
1020
Wszechświat
Rok świetlny
Odległość Ziemia-Słońce
Średnica Ziemi
Człowiek
Atom
Jądro atomowe
Typowe odległości we Wszechświecie
1030
Siły działające w przyrodzie
Siła jest to wielkość fizyczna, opisująca
wzajemne oddziaływania ciał między
sobą. Siłę poznajemy po skutkach jej
działania. Siła może spowodować zmianę
ruchu (pędu) ciała lub spowodować jego
odkształcenie. Źródłem każdej siły
rzeczywistej jest ciało materialne.
Wszystkie znane oddziaływania można
sprowadzić do czterech podstawowych
(fundamentalnych).
Są to oddziaływania:
grawitacyjne,
elektromagnetyczne,
słabe,
silne (jądrowe).
Oddziaływania grawitacyjne
Wszystkie ciała materialne (masy)
wzajemnie się przyciągają.
Siły grawitacyjne wiążą gwiazdy
w galaktyki, Słońce i planety w Układ
Słoneczny, utrzymują Ziemię jako całość.
Siły grawitacji są najsłabsze ze wszystkich
oddziaływań i są siłami długozasięgowymi.
Opisane są przez prawo powszechnego
ciążenia.
Prawo powszechnego ciążenia
Dwa punkty materialne o masach
(grawitacyjnych) m i M przyciągają się wzajemnie
siłą grawitacji Fg wprost proporcjonalną do
iloczynu mas i odwrotnie proporcjonalną do
kwadratu odległości r między punktami.


mM r
Fg  G 2
r r
G jest stałą grawitacji, Znak „-” oznacza, że wektor
Fg ma zwrot przeciwny do wektora r (siła
grawitacji jest zawsze siłą przyciągającą)
Oddziaływania elektromagnetyczne
Są to oddziaływania między ładunkami
znajdującymi się w spoczynku lub w
ruchu. Ładunki różnoimienne przyciągają
się, a jednoimienne odpychają się.
 Siły elektromagnetyczne wiążą elektrony
w atomach, atomy w cząsteczkach,
cząsteczki w ciałach makroskopowych;
odgrywają dominująca rolę w takich
zjawiskach jak tarcie, spójność,
sprężystość. Są siłami długozasięgowymi.

Prawo Coulomba
Dwa punktowe i nieruchome ładunki elektryczne
q i Q działają na siebie siłą wprost
proporcjonalną do iloczynu tych ładunków, a
odwrotnie proporcjonalną do kwadratu
odległości r między nimi:

Fq 
1
4e o

qQ r
2
r r
eo jest przenikalnością elektryczną próżni
Siła magnetyczna
Na ładunek poruszający się względem innych
poruszających się ładunków (np. prądu
elektrycznego) działa (niezależnie od siły
elektrycznej) siła prostopadła do jego
prędkości.

 
F  qVxB
Wektor B jest to indukcja pola magnetycznego.
Oddziaływania słabe
Są odpowiedzialne za rozpad b jąder
promieniotwórczych i za rozpad wielu
cząstek elementarnych występujących w
przyrodzie.
 Oddziaływania krótkozasięgowe, na
odległości rzędu 10-18m. Nie tworzą
układów związanych.

Oddziaływania silne
Wiążą ze sobą m. in. nukleony w jądrze
atomowym. Oddziaływania o bardzo małym
zasięgu działania. Najsilniejsze ze
wszystkich oddziaływań, większe o:
 2 rzędy wielkości od elektromagnetycznych
 5 rzędów od słabych,
 40 rzędów od grawitacyjnych.
Siły jądrowe
Mają krótki zasięg, do 2x10-15m, dla
odległości mniejszych niż 10-15m są siłami
odpychającymi, powyżej-przyciągającymi.
 Nie są centralne, zależą również od
orientacji spinów
 Mają właściwość „wysycania”
 Wielkość tych sił prawie nie zależy od
ładunku

GUT- Grand Unified Theory
teoria wielkiej unifikacji


teoria scalająca oddziaływania elektrosłabe (unifikacja
mała) i oddziaływanie silne. Przy dużych energiach
rzędu 1015 GeV wszystkie rodzaje oddziaływania
mikrocząstek (bez grawitacji) nie różnię się od siebie.
Niekiedy mianem unifikacji wielkiej określa się nie
istniejącą obecnie teorię jednoczącą wszystkie
oddziaływania fizyczne (wraz z grawitacją), teoria taka,
określana też jako "teoria wszystkiego" (z angielskiego
theory of everything: TOE), odnosiłaby się do energii
większych 10 000 razy od 1015 GeV (masa Plancka)
Cząstki elementarne
Cząstki będące podstawowym budulcem
materii, czyli najmniejszymi,
niepodzielnymi i nieposiadającymi
wewnętrznej struktury.
Elektronowolt
Elektronowolt (eV) – jednostka energii
stosowana w fizyce.
Jeden elektronowolt jest to energia, jaką
uzyskuje elektron będąc przyspieszonym
różnicą potencjałów równą 1 woltowi:
1eV=1e · 1V ≈ 1,602 176 53 ×10-19 J
1 J ≈ 6,241 509 47(53) ×1018 eV
SPIN
Spin jest to własny, nie wynikający z ruchu
danej cząstki względem innych cząstek,
lecz tylko z samej natury tej cząstki,
moment pędu w układzie, w którym ona
spoczywa.
 Dla elektronu, protonu czy neutronu liczba
ta jest oznaczana symbolem "s" i może
przyjmować wartość ułamkową ½.

Nośniki oddziaływań






Wg. teorii kwantowych oddziaływania są przenoszone
przez cząstki o spinie całkowitym zwane nośnikami lub
kwantami oddziaływań. Oddziaływania elementarne
przenoszone są przez cząstki rzeczywiste:
elektromagnetyczne-kwanty gamma o zerowej masie
słabe- bozony pośredniczące o masie sto razy większej
od masy protonu
silne- gluony
grawitacyjne- nie odkryte jeszcze grawitony
z polem Higgsa- „boskie” cząstki Higgsa
Cząstki materii
Leptony o spinie połówkowym NIE
uczestniczące w oddziaływaniach silnych
np. elektron, neutrina,
 Hadrony oddziałujące silnie (np. proton,
neutron), o spinie połówkowym są
barionami, a piony (+,-,0) o spinie
całkowitym są mezonami.

Hadrony

Hadrony składają się z kwarków (6
różnych) i antykwarków. W zakresie
niskich i średnich energii nie ma potrzeby
uwzględniania struktury hadronów, można
je wiec uważać za „elementarne”. W
odróżnieniu od nich kwarki są cząstkami
„fundamentalnymi”.
Kwarki
Są fermionami, mają spin połówkowy
 Mają ułamkowy ładunek elektryczny
 Nie występują pojedynczo- są „uwiązane”

Cząstki Higgsa
zgodnie z Modelem Standardowym,
cząstki występujące w przyrodzie - kwarki i
leptony - posiadają masę dzięki
oddziaływaniu z polem Higgsa, jakby
rodzajem "oporów ruchu", którego
nośnikami są bozony Higgsa.
 jeżeli cząstka Higgsa istnieje, to jej
energia przekracza 114 GeV.

Proton




Przyjmuje się, że proton posiada elementarny, dodatni
ładunek elektryczny i masę atomową równą 1,
zapisywany jako +p1 lub H+.
Masa spoczynkowa:
mp = 1,67262171(29) x 10 -27 kg = 938,272029(80)
MeV/c² = 1,00727646688 u
Spin: 1/2
Samotny proton to jądro 1H, proton związany z
neutronem to jądro deuteru - ²H (deuteron). Liczba
protonów w jądrze danego atomu to jego liczba
atomowa,
Neutron



Neutron (z łac neuter "obojętny" ) jest obojętny elektrycznie.
masa spoczynkowa wynosi ok. 1,00866491578 u, czyli 1,6749272 x
10-27 kg (jest nieco większa od masy protonu).
Spin: 1/2
Neutrony występujące poza jądrem nie są stabilne, ale rozpadają się
bardzo wolno (jak na cząstkę subatomową), jego średni czas życia to
885,7 s (ok. 15 min.):
_
n
 p  e 
Według tego schematu zachodzi rozpad promieniotwórczy "beta".
Jądro atomowe


Jest układem nukleonów- protonów i neutronów.
Liczba protonów określa ładunek elektryczny
jądra, decyduje o tym jakiego pierwiastka
chemicznego jest to atom i o przebiegu reakcji
chemicznych.
Liczba neutronów ma pewien wpływ na przebieg
reakcji chemicznych poprzez tzw. efekt
izotopowy, różne izotopy tego samego
pierwiastka mają nieco inne własności
chemiczne i fizyczne.
Jądro atomowe zX
l .masowaA
l .atomowaZ
X
A –liczba nukleonów w jądrze
Z –liczba protonów w jądrze
Tabela nuklidów





przedstawia graficznie wszystkie znane nuklidy
(jądra atomowe) o określonej liczbie protonów i
neutronów.
Izotopy-atomy danego pierwiastka różniące się
liczbami masowymi.
Izobary-atomy o tej samej liczbie masowej
Izotony-atomy o tej samej liczbie neutronów
Izomery- atomy o identycznej liczbie protonów i
neutronów, jednakże różniące się stanem
kwantowym
Modele jądrowe



Kroplowy-jądra są kuliste jak krople cieczy,
nukleony w jądrze zachowują się jak cząsteczki
w cieczy.
Powłokowy-nukleony wewnątrz jądra mogą
przyjmować tylko stany energetyczne zgodne z
energiami kolejnych powłok.
Kolektywny-nukleony łączą się w grupy tworząc
nowe cząstki wewnątrz jądra
Deficyt masy
Deficyt masy (niedobór masy, defekt masy) - różnica
Δm między sumą mas nukleonów wchodzących w skład
jądra atomowego, a masą jądra. Iloczyn niedoboru masy
i kwadratu prędkości światła w próżni jest równy energii
wiązania jądra
ΔE= Δmc2={[Zmp + (A-Z)mn]-mj}c2
gdzie:
nuklid zawierający N neutronów i Z protonów (N+Z = A)
 mp=1,00727 - masa protonu w jednostkach masy
atomowej
 mn=1,00866 - masa neutronu
 mj - masa jądra nuklidu
 c = 3·108 m/s - prędkość światła w próżni

Energia wiązania
Reakcje jądrowe
Reakcja fuzji
termojądrowej, jądra
deuteru i trytu łączą
się, powstaje jądro
helu, neutron i
wydzielana jest
energia.
Promieniotwórczość
 Reakcje
jądrowe spontanicznepromieniotwórczość naturalna
 Reakcje jądrowe wymuszonepromieniotwórczość „sztuczna”
Prawo rozpadu promieniotwórczego
Dla każdego jądra promieniotwórczego
istnieje określone prawdopodobieństwo l,
że ulegnie ono przemianie
promieniotwórczej w danym czasie.
 Liczba atomów dN, które rozpadną się w
ciągu krótkiego czasu dt wynosi:
dN=- Nl dt
 Jeżeli No to liczba atomów w chwili t=0, to
po czasie t pozostanie N atomów jakie się
nie rozpadły
N(t)= Noe- lt

Okres połowicznego rozpadu
Jest to czas T po jakim rozpadnie się
połowa jąder istniejących w chwili
czasu t=0.
No/2= Noe- lT
T=ln2/l 0.693/l
T zawiera się w granicach od 3x10-7s
do 1,4x1027 lat
Aktywność A
Aktywność jest to liczba przemian
jądrowych DN zachodzących w czasie Dt
A=DN/Dt
Jednostką aktywności w układzie SI jest
jeden bekerel -Bq. Aktywność 1Bq ma
preparat w którym zachodzi w czasie 1
sekundy jeden rozpad promieniotwórczy
Rozpad alfa
Rozpad alfa (przemiana α) przemiana jądrowa, w której
emitowana jest cząstka α (jądro helu
4 He2+). Strumień emitowanych
2
cząstek alfa przez rozpadające się
jądra to promieniowanie alfa. W
wyniku tej reakcji powstające jądro
ma liczbę atomową mniejszą o 2, a
liczbę masową o 4 od rozpadającego
się jądra.
Rozpad beta
Rozpad beta to przemiana nukleonu w
inny nukleon, zachodząca pod wpływem
oddziaływania słabego. Wyróżniamy
następujące rodzaje tego rozpadu:
rozpad β − (beta minus)
rozpad β + (beta plus)
wychwyt K.
Rozpad beta minus
Rozpad β- - polega na przemianie
neutronu w proton z emisją elektronu i
antyneutrina elektronowego według
schematu:
_
n
 p  e 
Rozpad beta plus
Rozpad β − polega na przemianie
protonu w neutron z emisją pozytonu i
neutrina elektronowego według
schematu:
p
 n  e 

Wychwyt K
Wychwyt elektronu - przemiana jądrowa,
w której jeden z elektronów atomu jest
przechwytywany przez proton z jądra
atomowego, w wyniku czego powstaje
neutron (pozostający w jądrze) i neutrino
elektronowe, które jest emitowane.
Promieniowanie gamma
Promieniowanie gamma to
wysokoenergetyczna forma
promieniowania elektromagnetycznego
powstające w wyniku przemian jądrowych,
o energii kwantu większej od 10 keV, co
odpowiada częstotliwości większej od
2,42EHz (eksaherc 1018 herca), a długości
fali mniejszej od 124 pm, jonizujące i
przenikliwe. Zakres ten częściowo
pokrywa się z zakresem promieniowania
rentgenowskiego.
Przenikliwość promieniowania
a
b
g
Promieniowanie jonizujące
wszystkie rodzaje promieniowania, które
wywołują jonizację ośrodka materialnego,
tj. oderwanie przynajmniej jednego
elektronu od atomu lub cząsteczki albo
wybicie go ze struktury krystalicznej.
Promieniowania alfa, beta, gamma oraz
promieniowanie elektromagnetyczne o
energii większej od energii światła
widzialnego.
Oddziaływanie promieniowania
elektromagnetycznego z materią







Jonizacja
Wzbudzenie optyczne (fluorescencja i
fosforescencja)
wtórne rentgenowskie promieniowanie
charakterystyczne
Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne i
wewnętrzne
Zjawisko Comptona
Rozpraszanie
Tworzenie par
Oddziaływanie promieniowania
korpuskularnego z materią
Cząstki naładowane:
 Jonizacja bezpośrednia poprzez oddziaływania
kulombowskie
 Wzbudzenie optyczne i rentgenowskie
Cząstki nienaładowane:
 Jonizacja wtórna
 Powstawanie jonizujących jąder odrzutu
 Zapoczątkowanie reakcji rozszczepienia,
rozpraszanie niesprężyste, wychwyt
Wielki Zderzacz Hadronów
Large Hadron Collider
największy na świecie akcelerator
cząstek (hadronów), znajdujący się w
Europejskim Ośrodku Badań
Jądrowych CERN w pobliżu Genewy.
Przewiduje się, że
LHC umożliwi
odkrycie bozonu
Higgsa, który
uczestniczy w
nadawaniu mas
cząstkom
elementarnym, oraz
cząstek tworzących
ciemną materię,
którymi być może
będą cząstki
supersymetryczne.
Komputerowa symulacja wyniku
zderzenia cząstek.
Download

Elementy fizyki jądrowej