Pavel Cejnar - Univerzita Karlova · 2018. 9. 21. · Objev neutronu Až do roku 1932 nebylo...
Transcript of Pavel Cejnar - Univerzita Karlova · 2018. 9. 21. · Objev neutronu Až do roku 1932 nebylo...
-
Příběh atomového jádra
Pavel Cejnar ÚČJF MFF UK Praha cejnar @ ipnp.troja.mff.cuni.cz
-
Stručná historie jádra
-
• 1896: Becquerel objev radioaktivity
“paprsky z nitra atomu”
• 1912: Rutherford model atomu
atom má malé jádro, které však nese většinu jeho hmoty
• 1932: Chadwick objev neutronu
jádro se skládá z kladně nabitých protonů a neutrálních neutronů
Tři objevy
-
• 1896: Becquerel objev radioaktivity
“paprsky z nitra atomu”
Radioaktivita Henri Becquerel
Ernest Rutherford
• Objev nových, silně radioaktivních prvků – polonium, rádium
• Výzkum fyzikálních vlastností radioaktivity – 3 typy: α, β, γ – exponenciální rozpadový zákon, statistické vlastnosti
Pierre & Marie Curie
)2ln//(e/e)( 2/1ttttP −=−= τ
střední doba života poločas rozpadu
-
Modely atomu
Proceedings of Royal Society London,82, 495 (1909)
Ernest Rutherford
AB … trubice přivádějící částice alfa R … zlatá fólie S … scintilátor M … mikroskop
Objev atomového jádra Hans Geiger, Ernest Marsden, Rutherfordova laboratoř, Manchester, 1909
24
2
kin0
221
sin1
16 θπεσ
=
Ω EeZZ
dd
-
Modely atomu meze platnosti Rutherfordovy formule
-
Modely atomu meze platnosti Rutherfordovy formule
-
Modely atomu meze platnosti Rutherfordovy formule
24
2
kin0
221
sin1
16 θπεσ
=
Ω EeZZ
dd
-
Modely atomu rozměr a hustota jádra Měření poloměrů mnoha různých jader vedlo k objevu následující závislosti poloměru na hmotnostním čísle jádra:
ZNA +=
hustota obyčejné hmoty je menší faktorem 1014-1017 !!!
-
Objev neutronu Až do roku 1932 nebylo známo, z jakých částic se jádra skládají. Jádro vodíku = proton nese kladnou jednotku elementárního náboje. Těžší jádra mají menší náboj než hmotnost: Z
-
Objev neutronu Až do roku 1932 nebylo známo, z jakých částic se jádra skládají. Jádro vodíku = proton nese kladnou jednotku elementárního náboje. Těžší jádra mají menší náboj než hmotnost: Z
-
Interakce v jádrech
-
https://makemephy.wordpress.com/
http://www.fnal.gov/
Elektromagnetismus – výměna fotonů
Jaderné síly – výměna pionů
Síly mezi fyzikálními objekty mají původ ve výměně „virtuálních částic“. Na tomto
principu dokážeme vysvětlit všechny typy působení kromě gravitace…
Jaderné síly
např.
rV
m1
0
±∝
=γ
možná též výměna π+ nebo π- r
r
cm
eV
mπ
π
−−∝
≠
1
0
nekonečný dosah interakce
konečný dosah interakce
-
Elektromagnetismus – výměna fotonů
Jaderné síly – výměna pionů
Síly mezi fyzikálními objekty mají původ ve výměně „virtuálních částic“. Na tomto
principu dokážeme vysvětlit všechny typy působení kromě gravitace…
Jaderné síly
např.
rV
m1
0
±∝
=γ
možná též výměna π+ nebo π- r
r
cm
eV
mπ
π
−−∝
≠
1
0
nekonečný dosah interakce
konečný dosah interakce
Hideki Yukawa (1907-1981)
1935: Yukawa přichází s vysvětlením jaderné síly pomocí výměny nových částic - mezonů 1936: Objev mionu (m=109MeV/c2), nejprve mylně pokládán za hledaný mezon 1947: Objev π mezonu
-
Struktura nukleonu – kvarky Ani proton a neutron (souhrnně nukleony) nejsou doopravdy elementární částice – skládají se z kvarků.
Tabulka všech typů kvarků („vůně“=„flavors“):
nábojová hustota protonu a neutronu
proton
-
Struktura nukleonu – kvarky
Vzájemná interakce kvarků (silná interakce) vzrůstá se vzdáleností => kvarky nelze uvolnit z hadronů (qqq) nebo mezonů (qq) …a lze je pozorovat jen nepřímo, např.:
Ani proton a neutron (souhrnně nukleony) nejsou doopravdy elementární částice – skládají se z kvarků.
-
Kvarky mají kromě elektrického náboje také barvu, která hraje roli „náboje“ pro silné interakce. Existují 3 barvy kvarků: červená, modrá, zelená a 3 antibarvy antikvarků: anti červená, anti modrá, anti zelená. Částice, které se z kvarků skládají, jsou navenek bezbarvé – proto je silná interakce „necítí“ a působí jen na malých vzdálenostech…
Murray Gell-Mann Z historie kvarků: Predikce – M. Gell-Mann (1964), G. Zweig (1964) Barva – O. Greenberg (1964), M.-Y. Han, Y. Nambu (1965)
Ani proton a neutron (souhrnně nukleony) nejsou doopravdy elementární částice – skládají se z kvarků.
Kvarky a silné interakce
-
elektromagnetismus
jaderné síly
Fundamentální interakce podle Standardního Modelu
elektroslabé silné
Kvarky a silné interakce
výměna pionu je na kvarkové úrovni složitý proces:
-
Kvarky a silné interakce
jaderné síly výměna pionu je na kvarkové úrovni složitý proces:
silné
≡
Jaderné síly jsou jen jakési zbytkové silné interakce, podobné elektrickému působení mezi atomy skládajících se sice z nabitých částic, ale majících nulový celkový náboj.
přitažlivá síla výměna 1π
Složitější procesy mezinukleonové interakce vedou k výměně více, příp. těžších mezonů
odpudivá síla výměna těžších ω, ρ, σ mezonů
výměna 2π, další procesy
-
Wolfgang Pauli & Niels Bohr (1900-58) (1885-1962)
sledují káču
F.A. Scott, Phys. Rev. 48 (1935) 391
E
Wolfgang Pauli (dopis Meitherové a Geigerovi, 1930):
“Dear Radioactive Ladies and Gentlemen,… I have hit upon a desperate remedy to save … the law of conservation of energy. Namely, the possibility that there could exist in the nuclei electrically neutral particles, that I wish to call neutrons, which have spin 1/2 …. The mass of the neutrons should be … not larger than 0.01 proton masses. The continuous beta spectrum would then become understandable by the assumption that in beta decay a neutron is emitted in addition to the electron such that the sum of the energies of the neutron and the electron is constant... I agree that my remedy could seem incredible because one should have seen those neutrons very earlier if they really exist. But only the one who dare can win …”
(anti)neutrino
Zbytek energie převezme (anti)neutrino
βQ210Bi
= „Radium E” 2mcAZ
21mcA
Z+
Slabé interakce v jádrech – neutrina V roce 1914 James Chadwick (v roce 1932 pak objevitel neutronu) zjistil, že spektrum elektronů emitované z β radioaktivních jader je spojité. To se zdálo být ve sporu se zákonem zachování energie:
-
t
q
q
Slabých interakcí se účastní kvarky a/nebo leptony (elektron, mion, taon, neutrina). Základem je výměna intermediálních bosonů W± a Z0. Tyto interakce způsobují např. β± rozpady jader.
β– rozpad neutronu
rozptyl elektronu na kvarku/neutrinu
slabý rozpad pionu
základní vertex
Z historie slabých interakcí: 1930: W. Pauli postuluje existenci neutrina (potvrzeno 1952 C. Cowanem a F. Reinesem) 1933: E. Fermi vytváří první (zatím nesprávnou) kvantově polní teorii β rozpadu 1957: Bruno Pontecorvo předpovídá oscilace neutrin (prokázáno v různých formách 1998-2012) 1968: S. Glashow, A. Salam, S. Weinberg odvozují teorii elektroslabých interakcí s využitím intermediálních bosonů W± a Z (prokázány 1983)
Enrico Fermi (1901-1954)
ce
2
041πε
α =
Slabé interakce v jádrech – elektroslabá teorie
-
„Zrcadlení“: P = inverze prostoru T = inverze času C = nábojové sdružení
1̂ˆˆˆ =⋅⋅ TPCCPT symetrie však podle současných teorií platí:
spin spin emitovaná částice
emitovaná částice jádro jádro
CP symetrie: experimentální důkaz narušení kombinované parity při rozpadech neutrálních mezonů [Cronin, Fitch 1964]
P symetrie: experimentální důkaz narušení prostorové parity při β rozpadu atomového jádra [madam Wu, 1957]
2q1q
2q
1q
„CP zrcadlo“
oscilace rozpad rozpad
mezon antimezon
Každá z těchto předpokládaných symetrií je narušena ve slabých interakcích
„P zrcadlo“
⇒ T symetrie je sama také narušena (potvrzeno 2012)
ee ν++→
−NiCo60
60
Slabé interakce v jádrech – narušení symetrií
-
Struktura a rozpady jader
-
Mapa jader
339 přírodních izotopů na Zemi – 288 primordiálních – 254 stabilních – 34 dlouhožijících – 51 krátcežijících (dceřiných) 3000 (cca) syntetických nesta- bilních izotopů v Labu _________________________________________________________________________________________________________________
6000-7000 (cca) izotopů s B>0
-
Mapa jader
τ/0
tt eNN
−=střední doba života
poločas rozpadu:
2lnln/
2/1
21
2/1
21/2/1
ττ
τ
=
−=
=−
tte t
s poločasy rozpadu
N
Z
-
Mapa jader
Sada interaktivních map nuklidů: http://www.nndc.bnl.gov/chart/
-
Vazbová energie
∑=
=+N
ii cmBcM
1
20
20
klidová hmota celého objektu
vazbová energie
klidová hmota jednotlivých konstituentů
22220 )()( mcpccmE =+=
Relativistická energie
klidová hmota
hybnost dynamická hmota
Definována deficitem hmotnosti složeného objektu:
-
Bethe-Weiszäckerova formule Vazbová energie jader
),()2(2
3/1
23/2 ZA
AZAa
AZaAaAaB ACSV δ±
−−−−=
−−−−
−+=
====
lichélichoMeV18.11sudélicho,lichésudo0
sudésudoMeV18.11MeV7.23MeV711.0
MeV8.17MeV75.15
δ
A
C
S
V
aaaa
objemový člen (+)
povrchový člen (−)
coulombický člen (−)
asymetrický člen (−)
párovací člen (±)
V∝ S∝ RQ /2∝ AZN /)( 2−∝klasické kapkové členy
Rohlf, J. W. (1994). Modern Physics from α to Z0. John Wiley & Sons
kvantové členy a) energie asymetrie Fermiho plynu (důsledek Pauliho principu)
b) přitažlivá párová interakce mezi nu-kleony stejného typu
⇒ jaderná supratekutost
-
Bethe-Weiszäckerova formule Vazbová energie jader
),()2(2
3/1
23/2 ZA
AZAa
AZaAaAaB ACSV δ±
−−−−=
]MeV[AB
-
Vazbová energie jader
]MeV[AB
data
-
γ
ν
ν
ν
+→
+→+
++→
++→
+→
−−
+−
−+
−−
XXYeXeYXeYX
YX
AZ
AZ
eA
ZAZ
eA
ZAZ
eA
ZAZ
AZ
AZ
*1
1
1
42
42 He α
β−
β+
γ
Rozpady jader Hlavní typy rozpadu:
EC (záchyt e−)
Z
α
β−
β+
N
n. EC
-
α Rozpady jader
Z
α
β−
β+
N
n. EC
He4242 +→
−− YX
AZ
AZ
vysoká vazbová energie
Průnik potenciálovou bariérou
-
β Rozpady jader
eA
ZAZ
eA
ZAZ
eA
ZAZ
YeXeYXeYX
ν
ν
ν
+→+
++→
++→
−−
+−
−+
1
1
1 β−
β+ EC (záchyt e−)
α
β−
β+ n. EC
Z
N
210Bi→210Po+e-+ν Emax = Q = 1.16 MeV
-
β Rozpady jader
eA
ZAZ
eA
ZAZ
eA
ZAZ
YeXeYXeYX
ν
ν
ν
+→+
++→
++→
−−
+−
−+
1
1
1 β−
β+ EC (záchyt e−)
α
β−
β+ n. EC
Z
N
Existuje bezneutrinový dvojitý β rozpad ??? ee νν ≡
?
-
Rozpady jader γ γ+→ XX AZ
AZ
*
Např. alfa či beta rozpad do excitovaného stavu dceřinného jádra:
Nemění N a Z jádra, ale pouze snižuje jeho excitační energii emisí tvrdého elmg. záření:
Eγ ≈ 10 keV–10 MeV ( λ < 10-12m , f > 1020 s-1 )
Doprovodný proces jiných typů rozpadů a jaderných reakcí...
-
Rozpady jader
Aktinuranová Uranová
Thoriová Neptuniová (umělá)
∑ →+−= j jijiiNBNN
ji ττ11
Soustava vázaných diferenciálních rovnic pro zastoupení jednotlivých nuklidů
větvící poměr
rozpad tvorba
-
Elementy jaderné teorie 1) Střední pole slupkové efekty
2) Kolektivní jevy dlouhodosahové korelace mezi nukleony
4) Klastrové efekty ???
3.88 2.47 3.74 2.33 3.60 2.18 3.46 2.04 3.32 1.90 3.18 1.76 3.03 1.62 2.89 1.48 2.75 1.34 2.61 1.19 2.47 1.05 unknown
2
33.3)2()4(
1
1 〈++
EE
rotační (deformovaná) jádra
vibrační (kulatá) jádra
Deformace se ustavuje pro částečně zaplněné slupky Jádra v blízkosti zaplněných slupek jsou kulatá
mag
ická
čísl
a Magická jádra mají
jednočásticové (nekolektivní)
excitace
3) Párování krátkodosahové korelace mezi nukleony
12C
-
magic
magic
S(2n) = E1 – E2
N
2n
211 2 cmcME +=
jádro + +
222 cME =
Energie separace 2 neutronů
neutrony
Ilustrace 1: slupkové efekty + deformace
vznik deformace
vznik deformace
-
„backbending“
221
2
2ω
ω
ℑ=ℑ
=
ℑ=
IE
I
2)1()1( −−+
≡∆∆
≈=IEIE
IE
dIdEω
Moment hybnosti
Moment setrvačnosti
Rotační frekvence = x
E
kvantové energetické hladiny (deformované jádro) rotační stavy
Ilustrace 2: jaderné spektrum (nízké energie)