7Jaderná a částicová fyzika … 7.2 Radioaktivita 7.3 Interakce jaderného záření s hmotou 7.4 Štěpení a fuze atomových jader 7.5 Subnukleární částice 7.6 Fundamentální interakce Fyzika II, , přednáška 141

7.2.4  – rozpad elektronový záchyt např  – rozpad foton ( ≡ záření) často doprovází  - nebo  - rozpad Př. z excitovaných stavů jader foton energie ~ MeV neutrina: potřebná k splnění z.z.h. pro  rozpad střed. volná dráha řádově 10 3 svět. let klidová hmotnost m v < 7 eV/ c 2 náboj q v = 0 kvantové číslo s v = ½ 2

Fyzika II, , přednáška 133

7.3 Radioaktivní záření a hmota Interakce radioaktivního záření s hmotou a)  -částice b) elektrony a pozitrony (  -rozpad) c) vysoce energetické fotony (  -rozpad)  -částice silná elektromagnetická interakce → ionizace silné brzdění → malý dolet (pro ~ MeV v látce hustoty vody ~ 0,1 mm) největší ionizační účinky na konci doletu podobné vlastnosti má protonové, deuteronové, mionové záření Fyzika II, , přednáška 134

7.3.1 Interakce radioaktivního záření s hmotou   -záření odpudivá elektromagnetická interakce → ionizace e  lehký → pohyb „cik-cak“ sekundárně vzniká brzdné záření se spojitým spektrem a charakteristické X-záření s čárovým spektrem dolet závisí na energii, 1-4 mm pro 0,6-3 MeV v látce hust. vody, v těžkých kovech ~ 0,1 mm   -záření elektromagnetická interakce → ionizace e  lehký → pohyb „cik-cak“ pozitronium – „atom“ tvořený e  a e  (2x větší než atom H) anihilace → 511 keV, dva fotony opačného směru Fyzika II, , přednáška 135

1.fotoelektrický jev → vyvolává měkké  -záření ( h f < 0,8 MeV), doprovází charakteristické rentgenové záření 2.Comptonův jev – rozptyl na volných nebo slabě vázaných elektronech,  -záření středních a vyšších energií 3.Tvorba páru elektron-pozitron – v blízkosti jádra, v látce zůstává e , e  anihiluje s jiným elektronem ( h f > 1,022 MeV), nutná třetí částice 4.neionizační procesy Interakce radioaktivního záření s hmotou  -záření (vzniká přechodem mezi energetickými hladinami jádra) 6

7.3.1 Interakce radioaktivního záření s hmotou Absorpce  - a  -záření lze popsat polotloušťka x 1/2 - vzdálenost, při které se intenzita zeslabí na poloviční hodnotu tabule I 0 intenzita záření dopadající na absorbátor I intenzita po průchodu absorbátorem tloušťky x  absorpční koeficient (cm -1 ) Fyzika II, , přednáška 137

7.3.2 Dozimetrické veličiny Radiační dávka jedn. 1 gray, 1Gy = 1 J kg -1 1 rad (radiation absorbed dose) = 0,01Gy Dávkový příkon jedn. 1 Gy s -1, často mGy s -1 Ekvivalentní dávka jedn. 1 sievert, 1Sv = 1 J kg -1 1 rem (radiation equivalent man) = 0,01 Sv dE … střední energie dodaná hmotnostnímu elementu dm (3 Gy – zemře 50% populace) dávka za jednotku času dávka D zohledněná na druh záření Q – jakostní faktor N – součin ostatních modifikujících faktorů (pro kůži menší než pro pohlavní orgány…) 8

7.3.3 Ochrana před zářením  -částice dolet ve vzduchu ~ 10 cm, ve tkáních ~ 0,02 mm ochrana dostatečná vzdálenost od zářiče  -záření pronikavost záleží na energii (tvrdosti) ochrana: vrstva lehkého materiálu d (mm) > 2 E max (MeV)  -záření ochrana: stínění těžkými materiály, olovem, např. pro záření zdroje 60 Co tloušťka 3,5 cm BEZPEČNOSTNÍ OPATŘENÍ, SPECIÁLNÍ ŠKOLENÍ Fyzika II, , přednáška 139

Fyzika II, , přednáška 1410

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 1411

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 1412

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 1413 vodíková bomba energie Slunce, vícestupňový proces, začíná se u protonů, „popelem“ je hélium řízená termojaderná reakce fuze štěpení

7.5 Subnukleární částice původní terminologie – proton, neutron, elektron … elementární částice, nyní spíše … subnukleární částice (jsou jich stovky) 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

7.5 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 1415

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

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 1417

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

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 1419

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 1420

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 1421

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 1422

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 1423

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:

Požadavky ke zkoušce jsou 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 1425