Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

7Jaderná a částicová fyzika … 7.4 Štěpení a fuze atomových jader 7.5 Subnukleární částice 7.6 Fundamentální interakce Higgsův boson 8Elektrony v pevných.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "7Jaderná a částicová fyzika … 7.4 Štěpení a fuze atomových jader 7.5 Subnukleární částice 7.6 Fundamentální interakce Higgsův boson 8Elektrony v pevných."— Transkript prezentace:

1 7Jaderná a částicová fyzika … 7.4 Štěpení a fuze atomových jader 7.5 Subnukleární částice 7.6 Fundamentální interakce Higgsův boson 8Elektrony v pevných látkách 8.1 Elektrické vlastnosti pevných látek 8.2 Energiové hladiny v krystalických pevných látkách 8.3 Pásová struktura kovů Fyzika II, , přednáška 131

2 2

3 7.1.3 Proton a neutron Proton: hmotnost m p = 1, ∙ kg = 938,2720 MeV/ c 2 náboj q p = 1, ∙ C ≡ e kvantové číslo s p = ½ (hyperjemné štěpení hladin) rozpadstabilní – na současné úrovni poznání Neutron: hmotnost m n = 1, ∙ kg = 939,5654 MeV/ c 2 náboj q n = (-0,4 ± 1,1) ∙ e kvantové číslo s n = ½ rozpad elektron elektronové antineutrino Fyzika II, , přednáška 133

4 7.4.1 Vazebná energie jader klidová hmotnost volných nukleonů m p ~ m n ~ 940 MeV/ c 2 dvě cesty, jak získat energii: 1. štěpení těžkých jader 2. fuze lehkých jader fuze štěpení Z experimentu - vazebná energie vztažená na jeden nukleon B ( Z,N )/ A  8 MeV, A je počer nukleonů ale není konstantní Fyzika II, , přednáška 134

5 7.4.2 Zdroje jaderné energie Jaderné reaktory štěpení 235 U pomalými neutrony zastoupení isotopu ~ 0,7 % málo účinné velký odpad vyhořelého paliva Rychlé reaktory štěpení 238 U rychlými neutrony technické potíže Termojaderná fuze Vazebná energie B(Z,N)/A Fyzika II, , přednáška 135 vodíková bomba energie Slunce, vícestupňový proces, začíná se u protonů, „popelem“ je hélium řízená termojaderná reakce fuze štěpení

6 7.5 Subnukleární částice původní terminologie – proton, neutron, elektron … elementární částice, nyní spíše … subnukleární částice hmota tvořena 12 zákl. stav. bloky, kombinací 2 tříd částic, kvarků a leptonů vyskytují se ve 3 generacích: El. náboj [e] Symbol Název Hmotnost [kg] +2/3 u Up ~9x /3 c Charm ~3x /3 b Bottom ~8x /3 d Down ~1x /3 s Strange ~3x /3 t Top ~3x KvarkyLeptony Generace e Elektron 9,1x  Mion 1,9x  T. Neutrino <6x e El. neutrino <2x  M. neutrino <4x  Tauon 3,2x generace - stabilní hmota leptony mohou existovat jako izolované částice kvarky existují jen seskupené, většinou po třech, a vytvářejí mnoho různých stabilních či nestab. částic 2. a 3. generace – nestabilní, při kolizích za velkých rychlostí hm. kvarků jen odhadnuta ke všem částicím existují antičástice

7 7.5 Subnukleární částice +2/3 u Up ~9x /3 c Charm ~3x /3 b Bottom ~8x /3 d Down ~1x /3 s Strange ~3x /3 t Top ~3x KvarkyLeptony Generace e Elektron 9,1x  Mion 1,9x  T. Neutrino <6x e El. neutrino <2x  M. neutrino <4x  Tauon 3,2x Nukleon – kombinací 3 kvarků 1. generace: proton – uud neutron – udd deuteron – uuuddd ≡ p a n stovky dalších jader kombinací u a d (resp. p a n) součet hm. kvarků < nukleonu kvark + antikvark -> mezon, boson vázané 3 kvarky -> baryony, fermiony vlastnost u, d, c, s, t, b - tzv. vůně kvarků barevný náboj (červený, zelený, modrý) - nemá nic společné s barvou Fyzika II, , přednáška 137

8 Klasifikace subnukleárních částic Podle spinu: fermiony pololočíselné spinové kvantové číslo Př. leptony (elektron, neutrino  ), kvarky (up, down, charm…), baryony (proton, neutron) Pauliho princip Bosony celočíselné spinové kvantové číslo (foton, gluon…) Podle klidové hmotnosti: leptony (z řeckého „lehký“), m ~ 0 – 130 MeV/ c 2 Př. neutrino (0 MeV/ c 2 ), elektron (0,5 MeV/ c 2 ), mion (106 MeV/ c 2 ) poločíselné spinové číslo 1/2 mesony (z řeckého „střední“), m ~ 130 – 900 MeV/ c 2 Př. pion, kaon celočíselné spinové číslo 0 nebo 1 baryony (z řeckého „težký“), m ~ 900 MeV/ c 2 Př. proton p (938 MeV/ c 2 ), neutron n (940), poločíselné spinové číslo účastní se tzv. silné interakce, tzv. hadrony 8

9 Podle interakcí, kterých se účastní, nebo které vedou k jejich rozpadu účastní se tzv. silné interakce: hadrony (z řeckého „silný“) dále se dělí na mesony (bosony) a baryony (fermiony) neúčastní se silné interakce: leptony Při interakcích a rozpadech platí zákony zachování: „obyčejné“ (z.z. hmotnosti, náboje, hybnosti, spinu) „neobyčejné“ (z.z. leptonového čísla, baryonového čísla, podivnosti, půvabu (charm), barvy, bottomness) Fyzika II, , přednáška 139

10 7.6 Fundamentální interakce … až k theory of everything gravitační interakce mezi hmotnými částicemi elektromagnetická interakce mezi nabitými částicemi silná interakce zbytkovámezi baryony (např. protony a neutrony) silná interakce mezi tzv. barevnými náboji ( ≡ náboj jiného druhu) slabá interakcenapř. rozpad neutronu,  -rozpad jader, změna vůně, zprostředkované bosonem W nebo Z Porovnání interakcí pomocí vazebné energie, relativistický vztah E =  mc 2 a) elektron vázán v atomu elektrostatickou pot. energií ~ 1 eV 1 eV →  m = kg …hmot elektronů b) vazebná energie jader 10 7 eV →  m = kg … hmot nukleonů c) hmotnost 3 kvarků ~ 1-2% hmot. protonu → 98% hmot. hadronů (tj. částic účastnících se silné interakce) v gluonech v případě a) a b) vazebná energie zanedbatelná ve srovnání s energií ekvivalentní hmotnosti objektu, v případě c) energie soustředěná v gluonech podstatná

11 Interakce představuje výměnu tzv. zprostředkující, intermediální částice, polní, výměnné elektromagnetická (Coulombova) interakce – zprostředkovaná fotony, obsahem kvantové elektrodynamiky (QED) slabá interakce, zprostředkují hmotné částice, tzv. W +, W - a Z silná zbytková (jaderná) interakce mezi nukleony (baryony) - zprostředkovaná piony m  ~ 140 MeV/ c 2  x ~ 2 fm silná interakce mezi kvarky - zprostředkovaná gluony, ty nesou barevný nebo antibarevný náboj; přitažlivá síla mezi kvarky způsobená výměnou gluonů, podobně jako elektromag. síla výměnou fotonů; vázané stavy jsou barevně neutrální (součet tří barev červené, zelené modré) tzv. kvantová chromodynamika (QCD) deficit v hmotnosti nukleonů – „oceán gluonů a antigluonů“ graviton? Fyzika II, , přednáška 1311

12 7.5.3 Interakce subnukleárních částic … až k theory of everything Jedním ze základních cílů současné fyziky – unifikace 4 základních fyzikálních interakcí, tj. jejich vyjádření jednotnou teorií (podobně jako Maxwellovy rovnici vyjadřují elektrické a mag. vlastnosti jako projevy elektromagnetického pole) elektroslabá interakce grand unification theory, GUT (spojení elektroslabé a silné) theory of everything ??? (spojení s gravitační interakcí) Fyzika II, , přednáška 1312

13 částiceoznačeníklidová energie náboj (e) spinstabilitainterakce bosony gluong001vázanýsilná foton  001stabilníelektromag. W ± -bosonW ± 80 GeV~ 1~ 11nestabilníslabá Z-bosonZ0Z0 91 GeV01nestabilníslabá higgsH0H0 > 48 GeV00elektroslabá higgsH ± > 41,7 GeV ~ 1~ 1 0elektroslabá graviton002gravitační Tabulka 7.1: Přehled elementárních částic. Přehled intermediálních částic Fyzika II, , přednáška 1313

14 Tabulka 7.1: Přehled elementárních částic. Některé složené subnukleární částice Baryony qqq kvarky elektrický náboj hmotnost (GeV/c 2 ) spin pprotonu u d+10,9381/2 antiproton0,9381/2 nneutronu d d00,9401/2 00 lambdau d s01,1161/2 -- omegas s s1,6723/2 cc sigma-cu u c+22,4551/2 Fyzika II, , přednáška 1314

15 INTERAKCEgravitační slabá elektro- magnetická silná elektroslabáfundamentálnízbytková působí na hmotnost slabý náboj („vůně“) elektrický náboj barevný nábojviz text interagující částice všechny leptony kvarky elektricky nabité kvarky gluony hadrony nosiče interakce graviton (dosud nebyl pozorován) W + W - Z 0  (foton) gluonymezony (v poměru k elektromagnetické síle) , nelze vyjádřit síla mezi 2 protony v jádru nelze vyjádřit Interakce subnukleárních částic … až k theory of everything síla mezi mezi 2 kvarky m m Fyzika II, , přednáška 1315

16 částiceoznačeníklidová energie náboj (e) spinstabilitainterakce bosony gluong001vázanýsilná foton  001stabilníelektromag. W ± -bosonW ± 80 GeV~ 1~ 11nestabilníslabá Z-bosonZ0Z0 91 GeV01nestabilníslabá higgsH0H0 > 48 GeV00elektroslabá higgsH ± > 41,7 GeV ~ 1~ 1 0elektroslabá graviton002gravitační Higgsův boson – Nobelova cena za fyziku 2013 souvisí se slabými interakcemi intermediální, polní částice představují kvantum pole (jsou bosony) kvantum elektro mag. pole je foton nulovou klid. hmotností kvantum silné interakce jsou gluony nulovou klid. hmotností hmotné intermediální částice jsou projevem Higgsova pole, to spouští Higgsův mechanismus a způsobuje hmotnost Odkaz na přednášku:

17 Požadavky ke zkoušce V souboru Požadavky ke zkoušce Zkouška bez písemky: 1.Přihlaste se na příslušný termín přes SIS 2.Pošlete mi zprávu na adresu kde uvedete termín, na který jste se přihlásili. Při odesílaní pošty použijte vaši adresu z domény vscht.cz, vaše zpráva nebude vyhodnocena jako nevyžádaná pošta, jak by se mohlo stát při poslání z jiné 3.V odpovědi vám sdělím hodinu ústní zkoušky. Ústní zkouška se koná v den písemky nebo ve dnech bezprostředně následujících. Fyzika II, , přednáška 1317

18 8Elektrony v pevných látkách Jak jsme postupovali v kvantové teorii? elektron v atomu vodíku mnoho elektronové atomy velké množství elektronů atomů tvořících pevnou látku omezíme se na krystalické látky a jejich elektrické vlastnosti 8.1 Elektrické vlastnosti pevných látek charakterizujeme následujícími parametry: 1.měrný odpor (rezistivita)  [  m] 2.teplotní součinitel rezistivity  [   ] 3.koncentrace nosičů náboje n [m -3 ] Izolátory – velká rezistivita – –  m vodivé látky – malá rezistivita – 10 3 –  m Fyzika II, , přednáška 1318

19 vodivé látky: 8.2 Energiové hladiny v krystalických pevných látkách kvantový popis mnoha atomů v krystalu Pauliho vylučovací princip, výstavbový princip v krystalech atomy v těsné blízkosti – významně se překrývají vlnové funkce elektronů Pauliho vyluč. princip → každý stav se trošku posune oproti izolovanému atomu → energiová hladina se rozštěpí na N blízkých hladin → energiové pásy a energiové mezery, (pásy zakázaných energií zakázané pásy), tzv. pásová struktura Typ vodivostipř. n [m -3 ]  [  m]  [K -1 ] kovměď polovodičkřemík

20 8.2 Energiové hladiny v krystalických pevných látkách zobecníme na velký počet N atomů v kovu Na: 1s 2s 2p 3s Na atom kov Na kov Na Charakteristika –pásy s nižší energií užší (elektron „hluboko“ v atomu, menší překryv vln. funkcí, stavy a energie se nemusí tolik „odtlačovat“) –mezi energiovými, dovolenými pásy jsou oblasti zakázaných energií, tzv. zakázané pásy –pásová struktura určuje, je-li pevná látka vodič, izolátor, polovodič Fyzika II, , přednáška 1320

21 8.2 Energiové hladiny v krystalických pevných látkách Izolátory nejvyšší pás obsahující elektrony plně obsazen široký zakázaný pás nad posledním obsazeným („gap“, E g  5 eV) elektrony se nemohou posouvat („žebřík na všech příčkách obsazen“) Kovy nejvyšší obsazená hladina energie je v blízkosti středu pásu velmi mnoho blízkých neobsazených hladin („volné příčky na žebříku umožňují přesun“) – vodivost nejvyšší částečně obsazený pás – vodivostní pás, v něm vodivostní elektrony vodivostní pás 21

22 8.3 Pásová struktura kovů Model vodivostních elektronů navazuje na model volných elektronů (volný pohyb nositelů proudu – elektronů) potenciální energie každého z vodivostních elektronů stejná – položíme E p = 0, mimo oblast kovu E p →  vod. elektrony – N částic v trojrozměrné potenciálové jámě energie elektronů ve vodivostním pásu je kvantovány splňují Pauliho vylučovací princip Označení nejnižší energie ve vodivostním pásu E = 0 nejvyšší obsazená hladina při T = 0, tzv. Fermiho hladina E F Z hlediska elektrických vlast. důležité: kolik kvant. stavů mohou elektrony obsadit jaké jsou energie těchto stavů E = 0 EFEF Fyzika II, , přednáška 1322

23 …. 8.3 Pásová struktura kovů 8.4 Vlastní polovodiče 8.5 Dotované polovodiče Fyzika II, , přednáška 1323


Stáhnout ppt "7Jaderná a částicová fyzika … 7.4 Štěpení a fuze atomových jader 7.5 Subnukleární částice 7.6 Fundamentální interakce Higgsův boson 8Elektrony v pevných."

Podobné prezentace


Reklamy Google