rozmiar atomu
Transkrypt
rozmiar atomu
FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych Wykład 1 – własności jąder atomowych Odkrycie jądra atomowego Rutherford (1911) Ernest Rutherford (1871-1937) R 10 fm 1908 Skala przestrzenna jądro człowiek atom 10-20 10-10 do Słońca Ziemia 100 1010 Wszechświat 1020 rozmiary (w metrach) skala logarytmiczna! 1030 Cząstki i oddziaływania •jądra atomowe •składniki jąder: protony i neutrony (nukleony) •liczne cząstki produkowane w wyniku procesów , w których uczestniczą nukleony lub jądra Oddziaływania: •grawitacyjne •słabe •elektromagnetyczne •silne Trzy grupy cząstek elementarnych Nośniki oddziaływań: •fotony (oddz. elektromagn.) •bozony W i Z (oddz. słabe) •gluony (oddz. silne) •grawitony? (oddz. grawitacyjne) Leptony: Hadrony: •elektrony i neutrina elektronowe •nukleony •miony i neutrina mionowe •mezony •taony i neutrina taonowe •…. (kilkaset cząstek) Masy obiektów subatomowych Masy wyrażamy w jednostkach energii: E mc 2 Jednostka energii – elektronowolt: 1eV = 1,602 10-19 C V = 1,602 10-19 J Jednostka masy: MeV/c2 lub MeV (c = 1) Masy nuklidów wyrażamy w atomowych jednostkach masy u: 1u= 1 12 masy obojętnego atomu węgla 1u 1,66053 10 27 kg 931,481MeV c 2 12 6 C Kinematyka relatywistyczna energia kinetyczna E k mc m0c 2 energia całkowita energia spoczynkowa 2 E m0c 2 pc 2 2 2 pęd energia całkowita energia spoczynkowa Falowe własności materii Długość fali de Broglie’a: h p Zasada nieoznaczności: p x Pustka materii Xe tylko tu... _ _ _ ośrodek ciągły (tu ciekły ksenon) jest prawie pusty! Rozmiar jądra większa energia Na jaką odległość może zbliżyć się do jądra cząstka ? Ek m v 2 2 q QN 4 0 r 1 Z e 2 Ek 2 0 r Wzór słuszny dla r > R, gdzie R – promień jądra. 60o Gdy padająca cząstka znajdzie się dostatecznie blisko jądra, włącza się oddziaływanie silne – formuła Rutherforda załamuje się. Punkt tego załamania wyznacza rozmiar jądra. d parametr zderzenia Rozmiar jądra Z e R 2 0 E k 2 Dla jądra węgla: Ek = 5,1MeV R = 3,410-15m Dla jądra aluminium: Ek = 9,0MeV R = 4,110-15m Rozmiar jądra: 10-15 m Rozmiar atomu: 10-10 m Pustka materii elektrony jądro piłka o średnicy 10 cm Rozmiar jądra: 10-15 m Rozmiar atomu: 10-10 m Świat jądrowy ładunek: q = Ze e = 1.6 · 10-19 C energia jonizacji atomu wodoru – 13.6 eV energia separacji nukleonu z jądra – 8.5 MeV Skala gęstości w mikro- i makroświecie: materia jądrowa biały gwiazda ciało stałe karzeł neutronowa 10-5 100 105 1010 gęstość [g/cm3] czarna dziura 1015 1020 Składniki jądra Ładunek jądra = n·e+ Masa jądra około dwukrotnie większa niż masa protonów. Nukleony – protony i neutrony Elektrony w jądrze? Hipoteza: jądro zawiera A protonów i A – Z elektronów Δx 1 fm Δp 200 MeV/c Δx ΔE 200 MeV Eβ < 10 MeV zasada nieoznaczoności (masa elektronu 0.5 MeV) więc nie! oraz analiza spinów jąder… np: spin jądra 147N jest całkowity (eksperyment) podczas, gdy suma spinów (połówkowych) 14 protonów i 7 elektronów byłaby połówkowa! Nuklidy A Z XN 1 1 8 4 56 26 208 82 Pb Be Fe X - symbol pierwiastka A - liczba masowa Z - liczba atomowa N - liczba neutronowa H ścieżka stabilności + gwiazdy neutronowe Jądra superciężkie IUPAC 101 Mendelevium Md 102 Nobelium No 103 Lawrencium Lr 104 Rutherfordium Rf 105 Dubnium Db 106 Seaborgium Sg 107 Bohrium Bh 108 Hassium Hs 109 Meitnerium Mt Stabilne nuklidy 274 stabilnych nuklidów Z < 84 od wodoru Z = 1 do bizmutu Z = 83 następny polon Z = 84 jest już nietrwały niestabilne wyjątki: technet Z = 43 oraz promet Z = 61 Z niep. Z parz. N niep. N parz. 4 50 55 165 H 2 1 54 220 Li 6 3 B 10 5 N 14 7 59 215 274 Nuklidy nuklidy A Z X izotopy A Z izobary izotony izomery 197 79 H, 2 1 C, 14 7 X, A' Z X 1 1 A Z X, A Z' X 14 6 A Z X, A m Z m A Z X, A Z X X* 6 2 Au He , 7 3 H, 3 1 N, 14 8 Li , H O 8 4 Be , wzbudzenie 9 5 B Masy jąder Spektrometr masowy detektor qE qvB v E/B B mv / r qvB B 2 r mv / qB E źródło jonów selektor prędkości selektor pędu m qrB 2 / E separacja izotopów... Aston 1919 Francis Aston 1877 - 1945 1922 od 1919 zidentyfikował i zmierzył masy 212 izotopów... Defekt masy m – masa jądra mp – masa protonu (938.3 MeV) mn – masa neutronu (939.6 MeV) defekt masy: m c 2 = [ Z · m p + ( A – Z) · m n – m ] c 2 > 0 energia wiązania: EB = m c 2 EB / A 8.5 MeV Defekt masy kolaps jądrowy...