W11

Rozpad gamma
 Deekscytacja jądra atomowego (przejście ze stanu
wzbudzonego o energii
do niższego stanu o
energii
) może zachodzić dzięki oddziaływaniu
elektromagnetycznemu przez tzw. rozpad gamma
 Przejście to może być realizowane:
 Przez emisję realnego kwantu gamma
 Przez konwersję wewnętrzną (emisję wirtualnego kwantu
gamma, który przekazuje swą energię elektronom z powłoki
atomowej)
 Przez wewnętrzne tworzenie par (e+,e-) (wirtualny kwant
gamma w obecności jądra kreuje tę parę)
Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys
1
Emisja realnych kwantów gamma
 Energia kwantu gamma
się odrzut jądra.
- jeżeli zaniedba
 UWAGA: energia odrzutu
jest zwykle większa
od szerokości naturalnej stanu i dlatego kwant gamma
wysłany przez jądro NIE MOŻE wzbudzić innego jądra
chyba, że zachodzi jeden z dwu przypadków:
 (1) Energia odrzutu zabierana jest przez kryształ, w którym
związane jest jądro i wtedy jest ona zaniedbywalnie mała (tzw.
Efekt Mössbauera)
 (2) Ruch emitującego jądra powoduje (przez efekt Dopplera )
kompensację zmiany energii
Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys
2
Efekt Mössbauera
 Bezodrzutowa emisja i absorpcja promieniowania
gamma, tj. efekt Mössbauera pozwala na bardzo
precyzyjne pomiary rezonansowe szerokości linii
widmowych, ich kształtu i przesunięcia
 Daje to możliwość badania lokalnych pól
elektromagnetycznych w kryształach i dostarcza
informacji o strukturze krystalicznej, własnościach
chemicznych itd. Ważne dla fizyki ciała stałego i
zastosowań, np. fizyki medycznej
 Dzięki wielkiej precyzji pomiarów wykorzystano efekt
Mössbauera do testowania ogólnej teorii względności
(można było zmierzyć względne przesunięcie linii ~10-15
przy zmianie wysokości w polu grawitacyjnym o 20 m )
Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys
3
Emisja realnych kwantów gamma c.d.
 Zasada zachowania krętu wymaga aby kręt
unoszony przez kwant gamma równał się różnicy
spinów stanów jadra:
 Ponieważ kwant gamma ma spin
(zawsze
równoległy do kierunku lotu kwantu) to nie może
zachodzić przejście gamma pomiędzy stanami, które
oba mają spin zerowy.
 Reguły wyboru wynikające z zachowania krętu:
Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys
4
Emisja realnych kwantów gamma c.d. 2
 Kwant promieniowania gamma ma określoną
parzystość
 Promieniowanie elektryczne EJ, tj. takie, którego
źródłem jest rozkład ładunku, niosące kręt J ma
parzystość
 Promieniowanie magnetyczne MJ, tj. takie,
którego źródłem jest rozkład prądu , niosące kręt J
ma parzystość
 Reguły wyboru ze względu na zachowanie
parzystości
Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys
5
Prawdopodobieństwa przejść promienistych
 Zależą od rodzaju promieniowania (elektryczne –
magnetyczne). Prawdopodobieństwa przejść
elektrycznych są o rząd – dwa rzędy wieksze:
 Zależą od multipolowości przejść. Im wyższa
multipolowość tym dłuższy czas życia (mniejsze
prawdopodobieństwo emisji):
[ R w fm, energia w MeV ]
 Nie jest jednak wykluczone, że P(E(J+1)) może być
porównywalne z P(MJ)
Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys
6
Porównanie czasów życia dla EJ i MJ
Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys
7
Konwersja wewnętrzna
 Konwersja wewnętrzna konkuruje z emisją kwantów
gamma
 Współczynnik konwersji wewnętrznej to stosunek
liczby elektronów konwersji do liczby kwantów gamma
przy deekscytacji tego samego stanu
 Współczynniki konwersji definiuje się dla
poszczególnych powłok i podpowłok atomowych: K,
LI, LII , LIII , MI ... gdzie współczynnik dla całej
powłoki jest sumą współczynników dla podpowłok
 Współczynniki konwersji NIE ZALEŻĄ od struktury
jądra bo ona wchodzi i do licznika i do mianownika
Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys
8
Konwersja wewnętrzna c.d.
 Mimo, że współczynnik konwersji nie zależy od
struktury jądra to silnie zależy od:
 Multipolowści przejścia (silnie rośnie wraz ze
wzrostem multipolowości)
 Rodzaju przejścia (dla przejść magnetycznych jest
znacznie większy niż dla elektrycznych, szczególnie
dla ciężkich jąder)
 Pozwala to określać typ i polowość przejścia
Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys
9
Przykładowe widmo elektronów konwersji
Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys
10
Rozszczepienie (ang. fission)
 Odkryte w 1938 r. przy naświetlaniu jąder 238U
neutronami. Zaobserwowano rozpad beta produktów
reakcji, przypisany początkowo radowi 226Ra ale Hahn i
Strassmann pokazali metodami radiochemicznymi, że
to był 137Ba (~połowa uranu).
 Schemat takiej reakcji dla
235U pokazany na rysunku
Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys
11
Spontaniczne rozszczepienie
 Liza Meitner i Otto Hahn w 1939 r. zaproponowali
wyjaśnienie tego efektu jako rozszczepienie
 Okazało się, że takie jądra jak uran czy tor potrafią
rozszczepiać się samorzutnie (spontanicznie – bez
bombardowania neutronami)
 Czas procesu zależy
od efektu tunelowania
przez barierę potencjału
Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys
12
Spontaniczne rozszczepienie
BARDZO silnie zależy od Z2/A
- parametru rozszczepialności
Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys
13
Model Nilsa Bohra i Johna Wheelera
W 1939 r. (niezależnie od L.Meitner i O. Hahna)
pokazali, że konkurencja zmiany energii
powierzchniowej i energii kulombowskiej przy przejściu
od kuli do elipsoidy o tej samej objętości może
prowadzić do rozszczepienia (wydzielania energii)
Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys
14
Energia fragmentów: systematyka Violi
Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys
15
Energia fragmentów - bariera
 Energia kinetyczna fragmentów odzwierciedla
wysokość bariery kulombowskiej
 Rozrzut energii dokoła średniej może być
opisany funkcją Gaussa z odchyleniem
standardowym
Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys
16
Neutrony z rozszczepienia
 Fragmenty – produkty rozszczepienia mają
duży nadmiar neutronów
 Pozbywają się ich na dwa sposoby:
 Emitują neutrony „natychmiastowe” (ang. prompt)
 Zamieniają neutrony na protony w rozpadzie beta
minus z czasem życia ~kilka sekund a produkty,
które dalej są neutronowo nadmiarowe emitują
neutrony „opóźnione” (ang. delayed)
 Pierwsze pozwalają wywołać reakcję
łańcuchową a drugie pozwalają nią sterować
Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys
17
Rozkład liczby neutronów
 To rozkład Gaussa
 ze średnią
= 2 – 3, różną dla różnych jąder
 ale z identycznym odchyleniem standardowym
 Neutrony opóźnione stanowią dla 235U tylko 0.7%
wszystkich neutronów i są średnio opóźnione o 12,5
sekundy
Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys
18
Przekrój czynny na rozszczepienie
 Bombardowanie U neutronami daje przekrój na
rozszczepienie silnie rosnący ze
zmniejszaniem energii neutronów (dla 235U)
Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys
19
Widmo neutronów z 235U
 Dobrze jest spowalniać neutrony dla 235U
Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys
20
Reaktor jądrowy
 Schemat
Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys
21