Jaderná fyzika Hlavní vlastnosti hmoty jsou dány chováním elektronů. Různé prvky existují v důsledku jader mít různé, celočíselné násobky elementárního.

Prezentace na téma: "Jaderná fyzika Hlavní vlastnosti hmoty jsou dány chováním elektronů. Různé prvky existují v důsledku jader mít různé, celočíselné násobky elementárního."— Transkript prezentace:

1 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.

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

3 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.

4 důležité + 2e θ + Ze

5 Velikost jádra + 2e, 5,3 MeV + Ze

6 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

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

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

9 Klasifikace nuklidů

10 Hmotnostní spektrometr
Atomové hmotnosti Hmotnostní spektrometr filtr rychlostí Separace isotopů

11 hmotnost atomu 12C je přesně 12 u
Atomové hmotnosti Jednotka atomové hmotnosti hmotnost atomu 12C je přesně 12 u 1 u  1,661  kg = 931,5 MeV mp= 1, u mn= 1, u

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

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

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

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

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

17 Jaderná síla

18 Jaderné energiové hladiny
 - záření

19 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)

20 Jaderná vazební energie

21 připomenutí

22

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

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

25 Radioaktivní rozpad 4He foton e-

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

27 228U92 238U92 Rozpad  238U92 234Th90 + 4He2 , Q = 4,25 MeV
 = 4,47  109 roku 228U92  = 9,1 min 238U Th He2 , Q = 4,25 MeV

28 Rozpad radonu

29 Rozpad  ? - + 32P15 32S16 + e- +  ( = 14,3 d)
64Cu Ni e+ +  ( = 12,3 h) ? 32P S 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- + 

30 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

31 Rozpad  12B C6* + e- +  12C6* C6 + 

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

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

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

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

36 Jaderné reakce s alfa částicemi 4He2 + 14N7 [18F9]* 17O8 + p
(E. Rutherford, 1919) 4He2 + 9B [13C6]* C6 + n (J. Chadwick, 1932) s protony p + 7Li [8Be4]* He He2 (J. D. Cockcroft & E. T. S Walton, 1932) s neutrony (E. Fermi, 1934) n Cd Cd  ……. tepelné neutrony s energií kT  10 meV n + 59Co Co Ni e- +  + 1 + 2

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

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

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

40 Termojaderná fúze

41 Termojaderná fúze

42 Termojaderná fúze magnetická past

43 Termojaderná fúze tokamak

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

45 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)

46 Pozitronová emisní tomografie

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

48 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

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

50 QED Feynmanovy diagramy Comptomův roztyl ki kf pi pf t

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

52 Elektron-elektronový
QED Feynmanovy diagramy Elektron-elektronový rozptyl

53 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

54 1 km

55 1 eV = 1, J proton 1 TeV  v ? 1 GeV

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

57 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).( oběhů) průměrná rychlost elektronu Bmax = 0.8 T 4,2 ms 84 cm