Jaderná fyzika Hlavní vlastnosti hmoty jsou dány chováním elektronů. Různé prvky existují v důsledku jader mít různé, celočíselné násobky elementárního náboje. Energie, z níž čerpá vesmír, má zřejmě původ v jaderných reakcích.

Elektronový obal atomu 10-10 m, eV - keV Elektronový obal atomu 10-15 m, MeV - GeV Jádro atomu

Objevení jádra E. Rutherford, H. Geiger, E. Marsden (1910-1911) But the nuclear model is not so much the outcome of the calculation as its main ingredient, for Rutherford´s approach depended upon an idiosynchatic conception of alpha which required him to suppose the nuclear atom for the case of helium before he had begun to analyse the scattering data.

důležité + 2e θ + Ze

Velikost jádra + 2e, 5,3 MeV + Ze

Proton a neutron Chadwick (1932) hmotnost klidová energie střední doba života spin elektrický náboj g-faktor 1,836 me 1,839 me 938,272 MeV 939,565 MeV > 1032 let 896 s 1/2 + e + 5,58 - 3,82

Spin a vlastní magnetický moment nukleonů 2 elektron jaderný magneton + ½, - ½ Vliv jádra na elektronový oba. Deuterium, hyperjemná struktura

AXZ Základní charakteristiky atomových jader Jaderná terminologie Nuklidy a isotopy hmotnostní číslo AXZ atomové číslo počet nukleonů (A) = = počet protonů (Z) + počet neutronů (N)

Klasifikace nuklidů

Hmotnostní spektrometr Atomové hmotnosti Hmotnostní spektrometr filtr rychlostí Separace isotopů

hmotnost atomu 12C je přesně 12 u Atomové hmotnosti Jednotka atomové hmotnosti hmotnost atomu 12C je přesně 12 u 1 u  1,661  10-27 kg = 931,5 MeV mp= 1,0072766 u mn= 1,0086654 u

Vliv atomového jádra na atomová spektra I Izotopický efekt pohyb jádra redukovaná hmotnost

Velikost a tvar jádra R = R0 A1/3 R0 = 1,2 fm

Jaderný spin a magnetismus velikost spinu prostorové kvantování spinu magnetický moment jádra

Jaderná magnetická rezonance Jaderný spin a magnetismus Jaderná magnetická rezonance hf = 2µz ( Bv + Bl ).

Vliv atomového jádra na atomová spektra II Hyperjemná struktura spektrálních čar jemná struktura hyperjemná struktura

Jaderná síla

Jaderné energiové hladiny  - záření

Q = m c2 m = m = Hmotnost a energie jádra vazební energie jádra energie rozpadu m = součet hmotností oddělených částic - hmotnost vázané soustavy m = hmotnost vázané soustavy před rozpadem - součet hmotností vzniklých produktů (hmotnostní úbytek)

Jaderná vazební energie

připomenutí

Data, lidé, události 1896 H. Becquerel – přirozená radioaktivita 1899 E. Rutherford - záření  a  1911 E. Rutherford – model jádra atomu 1919 E. Rutherford – jaderná reakce 1928 G. Gamow – teorie rozpadu  1932 J. Chadwick – objev neutronu 1931-2 první urychlovače 1934 E. Fermi – ostřelování tepelnými neutrony objev transuranů 1938 L. Meitnerová, O. Hahn, F. Strassmann – štěpení uranu 1942 E. Fermi – řízená řetězová reakce (první jaderný reaktor)

Přeměny jádra Radioaktivní rozpad Jaderné reakce . . . Zákony zachování energie hybnost moment hybnosti elektrický náboj počet nukleonů . . .

Radioaktivní rozpad 4He foton e-

Statistika radioaktivního rozpadu poločas rozpadu aktivita vzorku 1 becquerel = 1 rozpad za s

228U92 238U92 Rozpad  238U92 234Th90 + 4He2 , Q = 4,25 MeV  = 4,47  109 roku 228U92  = 9,1 min 238U92 234Th90 + 4He2 , Q = 4,25 MeV

Rozpad radonu

Rozpad  ? - + 32P15 32S16 + e- +  ( = 14,3 d) 64Cu29 64Ni28 + e+ +  ( = 12,3 h) ? 32P15 32S16 + e- +  ( = 14,3 d) - + Zákon zachování náboje (+15e) = (+16e) + (-1e) + (0e) počtu nukleonů (32) = (32) + (0) + (0) Uvnitř jádra se neutron změní na proton nebo proton na neutron p n + e+ +  . . . n p + e- + 

Rozpad  Energie emitovaného elektronu nemá přesnou hodnotu, část energie uvolněné při beta rozpadu odnáší neutrino (W. Pauli, 1930) Neutrino: lepton, nulový elektrický náboj, spin ½, detekováno 1953, střední volná dráha několik ly

Rozpad  12B5 12C6* + e- +  12C6* 12C6 + 

Detailní pohled na emisi a absorpci záření (f) v  , k A* (E1) A (E2) Zákon zachování energie hybnosti

emise absorpce Změna energie fotonu vlivem zpětného rázu atomové přechody jaderné přechody

Erec < E Rezonanční absorpce E.t  h šíře spektrální čáry atomové přechody jaderné přechody Erec  10-11 eV Erec  101 eV t  10–8 s  E  10–7 eV t  10–14 s  E  10–1 eV

Mössbauerova spektroskopie Mössbauerův jev Zpětný ráz se eliminuje vbudováním jádra do krystalu Mössbauerova spektroskopie 10-2 m/s Doppler

Jaderné reakce s alfa částicemi 4He2 + 14N7 [18F9]* 17O8 + p (E. Rutherford, 1919) 4He2 + 9B4 [13C6]* 12C6 + n (J. Chadwick, 1932) s protony p + 7Li3 [8Be4]* 4He2 + 4He2 (J. D. Cockcroft & E. T. S Walton, 1932) s neutrony (E. Fermi, 1934) n + 113Cd48 114Cd48 +  ……. tepelné neutrony s energií kT  10 meV n + 59Co27 60Co27 60Ni28 + e- +  + 1 + 2

Jaderné štěpení I n + 235U92 [236U92]* X + Y + neutrony (O. Hahn, F. Strassmann, 1939, & L. Meitner, O. Frisch) n + 235U92 [236U92]* X + Y + neutrony Jaká energie se uvolní? Q   2(8,5 MeV)(120) – (7,6 MeV)(240)   200MeV

Jaderné štěpení II n + 235U92 [236U92]* 140Xe54 + 94Sr38 + 2n 140Ce58 94Zr40 4 2  rozpady n + 235U92 [236U92]* 144Ba56 + 89Kr36 + 3n 144La 144Ce 144Pr 144Nd 89Rb 89Sr 89Y  1015 y

Jaderné štěpení - řetězová reakce (E. Fermi, 1942) problém úniku neutronů problém energie neutronů problém záchytu neutronů

Termojaderná fúze

Termojaderná fúze

Termojaderná fúze magnetická past

Termojaderná fúze tokamak

částice, částice, částice … a na závěr ... lekce pět a půltá částice, částice, částice …

Částice a antičástice elektron e- positron e+  e- + e+ e- + e+  +  Diracova rovnice (1929) positron e+  e- + e+ e- + e+  +  me = 0,511 MeV C. Anderson (1932)

Pozitronová emisní tomografie

. . . Čím se liší částice a antičástice ? nebo Čím se liší antičástice a částice ? elektron - positron proton - anitproton neutron - antineutron neutrino - antineutrino . . . hmota a antihmota

Foton je kvantum elektromagnetického pole má nulovou (klidovou) hmotnost rodí se (kreace fotonu) a zaniká (anihilace fotonu) interaguje s hmotou (atomy, elektrony, …) a antihmotou emise/absorpce záření atomem fotoelektrický jev Comptonův jev (dvoufotonový proces) tvorba párů

Kvantová elektrodynamika - QED kalibrační pole elektron, positron a foton Kvantová elektrodynamika - QED

QED Feynmanovy diagramy Comptomův roztyl ki kf pi pf t

Elektron-positronová QED Feynmanovy diagramy k1 k2 p- - p+ t Elektron-positronová anihilace Tvorba párů

Elektron-elektronový QED Feynmanovy diagramy Elektron-elektronový rozptyl

Urychlovače částic Cyklotron synchrotron těžké částice – protony, deutrony B  1 T fc  10 MHz R  1 m E  100 MeV v  108 m/s synchrotron

1 km

1 eV = 1,60.10-19 J proton 1 TeV  v ? 1 GeV

Urychlovače částic Betatron elektrony o energii 100 MeV (v = 0.999987 c) Magnetické pole udržuje elektron na kruhové dráze proměnné v čase indukuje elektrické pole, které elektron urychluje

Bmax = 0.8 T 4,2 ms indukované napětí po jednom oběhu výsledná kinetická energie elektronu 100 MeV = (430 eV).(? oběhů) 100 MeV = (430 eV).(230 000 oběhů) průměrná rychlost elektronu Bmax = 0.8 T 4,2 ms 84 cm