Příběh atomového jádra

Transkript

1 Příběh atomového jádra Pavl Cjnar ÚČJF MFF UK Praha ipnp.troja.mff.cuni.cz

2 Stručná histori jádra

3 Tři objvy 1896: Bcqurl objv radioaktivity paprsky z nitra atomu 191: Ruthrford modl atomu atom má malé jádro, ktré však ns většinu jho hmoty 193: Chadwick objv nutronu jádro s skládá z kladně nabitých protonů a nutrálních nutronů

4 Radioaktivita 1896: Bcqurl objv radioaktivity paprsky z nitra atomu Hnri Bcqurl Objv nových, silně radioaktivních prvků polonium, rádium Výzkum fyzikálních vlastností radioaktivity 3 typy: α, β, γ xponnciální rozpadový zákon, statistické vlastnosti Pirr & Mari Curi /( /ln) ( ) t/ t t P t = τ = 1/ střdní doba života poločas rozpadu Ernst Ruthrford

5 Modly atomu Objv atomového jádra Hans Gigr, Ernst Marsdn, Ruthrfordova laboratoř, Manchstr, 1909 B trubic přivádějící částic alfa R zlatá fóli S scintilátor M mikroskop Procdings of Royal Socity London,8, 495 (1909) dσ = dω θ 16πε 0Ekin sin Ernst Ruthrford

6 Modly atomu mz platnosti Ruthrfordovy formul

7 Modly atomu mz platnosti Ruthrfordovy formul

8 Modly atomu mz platnosti Ruthrfordovy formul dσ = dω θ 16πε 0Ekin sin

9 Modly atomu rozměr a hustota jádra Měřní poloměrů mnoha různých jadr vdlo k objvu násldující závislosti poloměru na hmotnostním čísl jádra: = N hustota obyčjné hmoty j mnší faktorm !!!

10 Objv nutronu ž do roku 193 nbylo známo, z jakých částic s jádra skládají. Jádro vodíku = proton ns kladnou jdnotku lmntárního náboj. Těžší jádra mají mnší náboj nž hmotnost: <. Vznikla domněnka, ž jádro hmotnosti s skládá z protonů a ( ) lktronů. To al nní možné např. proto, ž lktrony v jádř by na základě principu nurčitosti musly mít obrovskou nrgii: V roc 193 objvil Jams Chadwick x p / nutron nutrální částici hmotnosti m MV s m podobné protonu. Bylo jasné, ž nutron pc 100 MV E = ( m c ) j chybějícím konstituntm jadr MV MV s / Jams Chadwick ( pc) 100 MV To j moc! Podobné xprimnty již od 1930 (Both, CuriJoliot). Při bombardování B částicmi alfa byla pozorována produkc nutrálních částic. Fotony? Nznámé částic jsou schopny uvolňovat protony o nrgii až 5.3 MV. Fotony n! Nové nutrální částic!

11 Objv nutronu ž do roku 193 nbylo známo, z jakých částic s jádra skládají. Jádro vodíku = proton ns kladnou jdnotku lmntárního náboj. Těžší jádra mají mnší náboj nž hmotnost: <. Vznikla domněnka, ž jádro hmotnosti s skládá z protonů a ( ) lktronů. To al nní možné např. proto, ž lktrony v jádř by na základě principu nurčitosti musly mít obrovskou nrgii: V roc 193 objvil Jams Chadwick x p / nutron nutrální částici hmotnosti m MV s m podobné protonu. Bylo jasné, ž nutron pc 100 MV E = ( m c ) j chybějícím konstituntm jadr MV MV s / Jams Chadwick ( pc) 100 MV To j moc! Podobné xprimnty již od 1930 (Both, CuriJoliot). Při bombardování B částicmi alfa byla pozorována produkc nutrálních částic. Fotony? Nznámé částic jsou schopny uvolňovat protony o nrgii až 5.3 MV. Fotony n! Nové nutrální částic! N

12 Intrakc v jádrch

13 Jadrné síly Elktromagntismus výměna fotonů m V γ = ± 0 1 r nkončný dosah intrakc Síly mzi fyzikálními objkty mají původ v výměně virtuálních částic. Na tomto principu dokážm vysvětlit všchny typy působní kromě gravitac Jadrné síly výměna pionů např. možná též výměna π nbo π - m V π 0 mπ c 1 r končný dosah intrakc r

14 Jadrné síly Elktromagntismus výměna fotonů Jadrné síly výměna pionů např. m V γ možná též výměna π nbo π - = ± 0 1 r nkončný dosah intrakc m V π Síly mzi fyzikálními objkty mají původ v výměně virtuálních částic. Na tomto principu dokážm vysvětlit všchny typy působní kromě gravitac 0 mπ c 1 r končný dosah intrakc 1935: Yukawa přichází s vysvětlním jadrné síly pomocí výměny nových částic - mzonů 1936: Objv mionu (m=109mv/c ), njprv mylně pokládán za hldaný mzon 1947: Objv π mzonu r Hidki Yukawa ( )

15 Struktura nuklonu kvarky ni proton a nutron (souhrnně nuklony) njsou doopravdy lmntární částic skládají s z kvarků. Tabulka všch typů kvarků ( vůně = flavors ): proton nábojová hustota protonu a nutronu

16 Struktura nuklonu kvarky ni proton a nutron (souhrnně nuklony) njsou doopravdy lmntární částic skládají s z kvarků. Vzájmná intrakc kvarků (silná intrakc) vzrůstá s vzdálností => kvarky nlz uvolnit z hadronů (qqq) nbo mzonů (qq) a lz j pozorovat jn npřímo, např.:

17 Kvarky a silné intrakc ni proton a nutron (souhrnně nuklony) njsou doopravdy lmntární částic skládají s z kvarků. Kvarky mají kromě lktrického náboj také barvu, ktrá hraj roli náboj pro silné intrakc. Existují 3 barvy kvarků: črvná, modrá, zlná a 3 antibarvy antikvarků: anti črvná, anti modrá, anti zlná. Částic, ktré s z kvarků skládají, jsou navnk bzbarvé proto j silná intrakc ncítí a působí jn na malých vzdálnostch histori kvarků: Prdikc M. Gll-Mann (1964), G. wig (1964) Barva O. Grnbrg (1964), M.-Y. Han, Y. Nambu (1965) Murray Gll-Mann

18 Kvarky a silné intrakc lktromagntismus Fundamntální intrakc podl Standardního Modlu jadrné síly výměna pionu j na kvarkové úrovni složitý procs: lktroslabé silné

19 Kvarky a silné intrakc Jadrné síly jsou jn jakési zbytkové silné intrakc, podobné lktrickému působní mzi atomy skládajících s sic z nabitých částic, al majících nulový clkový náboj. odpudivá síla výměna těžších ω, ρ, σ mzonů jadrné síly výměna pionu j na kvarkové úrovni složitý procs: výměna π, další procsy přitažlivá síla výměna 1π Složitější procsy mzinuklonové intrakc vdou k výměně víc, příp. těžších mzonů silné

20 Slabé intrakc v jádrch nutrina V roc 1914 Jams Chadwick (v roc 193 pak objvitl nutronu) zjistil, ž spktrum lktronů mitované z β radioaktivních jadr j spojité. To s zdálo být v sporu s zákonm zachování nrgi: mc F.. Scott, Phys. Rv. 48 (1935) 391 bytk nrgi přvzm (anti)nutrino Q β 10 Bi = Radium E E 1mc (anti)nutrino Wolfgang Pauli (dopis Mithrové a Gigrovi, 1930): Dar Radioactiv Ladis and Gntlmn, I hav hit upon a dsprat rmdy to sav th law of consrvation of nrgy. Namly, th possibility that thr could xist in th nucli lctrically nutral particls, that I wish to call nutrons, which hav spin 1/. Th mass of th nutrons should b not largr than 0.01 proton masss. Th continuous bta spctrum would thn bcom undrstandabl by th assumption that in bta dcay a nutron is mittd in addition to th lctron such that th sum of th nrgis of th nutron and th lctron is constant... I agr that my rmdy could sm incrdibl bcaus on should hav sn thos nutrons vry arlir if thy rally xist. But only th on who dar can win Wolfgang Pauli & Nils Bohr ( ) ( ) sldují káču

21 Slabé intrakc v jádrch lktroslabá tori Slabých intrakcí s účastní kvarky a/nbo lptony (lktron, mion, taon, nutrina). ákladm j výměna intrmdiálních bosonů W ± a 0. Tyto intrakc způsobují např. β ± rozpady jadr. histori slabých intrakcí: : W. Pauli postuluj xistnci nutrina α = 4πε 0 c (potvrzno 195 C. Cowanm a F. Rinsm) 1933: E. Frmi vytváří první (zatím nsprávnou) kvantově polní torii β rozpadu 1957: Bruno Pontcorvo přdpovídá oscilac nutrin (prokázáno v různých formách ) 1968: S. Glashow,. Salam, S. Winbrg odvozují torii lktroslabých intrakcí s využitím intrmdiálních bosonů W ± a (prokázány 1983) základní vrtx Enrico Frmi ( ) q slabý rozpad pionu β rozpad nutronu q rozptyl lktronu na kvarku/nutrinu t

22 Slabé intrakc v jádrch narušní symtrií rcadlní : P = invrz prostoru T = invrz času C = nábojové sdružní P symtri: xprimntální důkaz narušní prostorové parity při β rozpadu atomového jádra [madam Wu, 1957] mitovaná částic spin jádro P zrcadlo spin jádro mitovaná částic CP symtri: xprimntální důkaz narušní kombinované parity při rozpadch nutrálních mzonů [Cronin, Fitch 1964] mzon q 1 q rozpad CP zrcadlo oscilac CPT symtri však podl současných torií platí: q 1 antimzon q rozpad Každá z těchto přdpokládaných symtrií j narušna v slabých intrakcích 60 Co 60 Ni ν T symtri j sama také narušna (potvrzno 01) C ˆ P ˆ T ˆ = 1ˆ

23 Struktura a rozpady jadr

24 Mapa jadr 339 přírodních izotopů na mi 88 primordiálních 54 stabilních 34 dlouhožijících 51 krátcžijících (dcřiných) 3000 (cca) synttických nstabilních izotopů v Labu (cca) izotopů s B>0

25 Mapa jadr s poločasy rozpadu N t = N 0 t /τ střdní doba života N poločas rozpadu: t t t 1/ 1/ 1/ / τ = 1 / τ = ln = τ ln 1

26 Mapa jadr Sada intraktivních map nuklidů:

27 Vazbová nrgi Dfinována dficitm hmotnosti složného objktu: N M c B = 0 m0 i c i= 1 klidová hmota clého objktu vazbová nrgi klidová hmota jdnotlivých konstituntů Rlativistická nrgi E = ( m c = mc 0 ) ( pc) klidová hmota hybnost dynamická hmota

28 Vazbová nrgi jadr Bth-Wiszäckrova formul B = a V a S /3 a C 1/3 a ( ) ± δ (, ) objmový čln () V a a a a V S C δ = = MV = 17.8 MV = 0.711MV = 3.7 MV MV sudosudé 0 povrchový čln () S sudoliché, lichosudé MVlicholiché coulombický čln () Q / R klasické kapkové člny Rohlf, J. W. (1994). Modrn Physics from α to 0. John Wily & Sons asymtrický čln () ( N ) / párovací čln (±) b) přitažlivá párová kvantové člny intrakc mzi nuklony stjného typu a) nrgi asymtri Frmiho plynu (důsldk Pauliho principu) jadrná supratkutost

29 Vazbová nrgi jadr Bth-Wiszäckrova formul B = a V a S /3 a C 1/3 a ( ) ± δ (, ) B [MV]

30 Vazbová nrgi jadr data B [MV]

31 γ ν ν ν X X Y X Y X Y X Y X * H α β β γ Rozpady jadr Hlavní typy rozpadu: EC (záchyt ) α β β N n. EC

32 Rozpady jadr α β n. EC α X Y 4 4 H vysoká vazbová nrgi N β Průnik potnciálovou bariérou

33 β Rozpady jadr Y X Y X Y X ν ν ν β β EC (záchyt ) α β β n. EC N 10 Bi 10 Po - ν E max = Q = 1.16 MV

34 β Rozpady jadr Y X Y X Y X ν ν ν β β EC (záchyt ) α β β n. EC N Existuj bznutrinový dvojitý β rozpad??? ν ν?

35 Rozpady jadr X * X γ γ Nmění N a jádra, al pouz snižuj jho xcitační nrgii misí tvrdého lmg. zářní: E γ 10 kv 10 MV ( λ < 10-1 m, f > 10 0 s -1 ) Doprovodný procs jiných typů rozpadů a jadrných rakcí... Např. alfa či bta rozpad do xcitovaného stavu dcřinného jádra:

36 Rozpady jadr ktinuranová Uranová Thoriová Nptuniová (umělá) Soustava vázaných difrnciálních rovnic pro zastoupní jdnotlivých nuklidů N i = rozpad N B j i N 1 1 τ i i τ j j větvící poměr tvorba j

37 Elmnty jadrné tori 1) Střdní pol slupkové fkty E(4 E( ) Kolktivní jvy dlouhodosahové korlac mzi nuklony ) ) rotační (dformovaná) jádra 1 vibrační (kulatá) jádra unknown magická čísla 3) Párování krátkodosahové korlac mzi nuklony Magická jádra mají jdnočásticové (nkolktivní) xcitac Dformac s ustavuj pro částčně zaplněné slupky Jádra v blízkosti zaplněných slupk jsou kulatá 4) Klastrové fkty??? 1 C

38 Ilustrac 1: slupkové fkty dformac vznik dformac Enrgi sparac nutronů S(n) = E 1 E magic vznik dformac nutrony jádro E 1 = M1c mnc E = M c magic N

39 Ilustrac : jadrné spktrum (nízké nrgi) kvantové nrgtické hladiny (dformované jádro) E backbnding rotační stavy Momnt hybnosti Momnt strvačnosti = x Rotační frkvnc E I = I ω I = = I 1 Iω ω = de di E I E( I 1) E( I 1)