Fyzika IV. Atomová a jaderná fyzika. kontakt: Petr Alexa, Institut fyziky A 952, mobil:

Transkript

1 Fyzika IV Atomová a jaderná fyzika kontakt: Petr Alexa, Institut fyziky A 952, petr.alexa@vsb.cz mobil: Zápočet: 40 bodů, zkouška: písemná 20 bodů, ústní 40 bodů Literatura: HALLIDAY, D., RESNICK, R., WALKER, J.: Fyzika, část 5: Moderní fyzika, nakl. VUTIUM a PROMETHEUS, Praha 2000 FEYNMAN, R. P., LEIGHTON, R. B., SANDS M., Feynmanovy přednášky z fyziky, Fragment 2000 VANOVIČ, J., Atomová fyzika, SNTL Praha 1980 ÚLEHLA, I., SUK, M., TRKA, Z., Atomy, jádra, částice, Academia Praha, 1990 BLATT F. J., Modern Physics, McGraw Hill

2 Atomová a jaderná fyzika Speciální teorie relativity Základní kvantové jevy: záření černého tělesa, fotoelektrický jev emise a absorpce světla, LASER Comptonův jev, vlnová délka částic Stavba atomu: Thomsonův a Rutherfordův model atomu elektronový obal, atomová spektra Bohrův model atomu vodíku

3 Atomová a jaderná fyzika Charakteristiky atomového jádra, radioaktivní procesy, jaderné reakce: složení a vlastnosti jader, vazebná energie, slupkový model radioaktivita a její aplikace interakce záření s hmotou, dozimetrie jaderné reakce (štěpení a fúze, zdroje energie, vznik prvků ve vesmíru) jaderná fyzika a nanotechnologie (analytické metody, příprava struktur) Částice, interakce a detekce částic: přehled elementárních částic interakce elementárních částice urychlovače a detektory Cesta do hlubin hmoty

4 Speciální teorie relativity Postuláty: existence inerciálních vztažných sytémů (IVS) ideálně tuhá měřidla ideální hodiny (synchronizace) 1. princip speciální relativity IVS rovnocenné, platí v nich stejné fyzikální zákony (rovnice stejný tvar) 2. princip konstantní rychlosti světla ve všech IVS ve vakuu se šíří světlo konstantní rychlostí nezávislou na rychlosti zdroje

5 Speciální teorie relativity

6 Speciální teorie relativity

7 Speciální teorie relativity Lorentzova transformace: t = γ (t v x / c2) x = γ (x v t) y = y z = z γ = (1 v2/c2)-1/2 transformace rychlosti: u x '= u x v dx ' = dt ' 1 u x v /c 2 uy dy ' u y '= = dt ' 1 u x v /c 2 uz dz ' uz ' = = dt ' 1 u x v/ c2 kontrakce délek L =L0/γ

8 Speciální teorie relativity relativistická dynamika: hmotnost m = γ m0 hybnost p = γ m 0v energie: celková energie E = m c2 = γ m0c2 2 E = m c klidová energie 0 0 kinetická energie Ek = (γ 1) m0c2

9 intenzita vyzařování [W m 2] Stefan Boltzmannův zákon: I = T 4 Stefanova Boltzmannova konstanta: = 5,67 x 10 8 W m 2 K 4 Wienův posunovací zákon: max T =2, K m emise v kvantech: E min =h Záření černého tělesa

10 Fotoelektrický jev Foton: kvantum elektromagnetického vlnění s energií E=h f =h =h Planckova konstanta h = 6,623 x J s Fotoelektrický jev E =h = E k W E k =h W E k =0 h m =W E energie fotonu W výstupní práce ν frekvence fotonu νm minimální frekvence fotonu c

11 Emise a absorpce světla LASER E k =h W

12 Emise a absorpce světla LASER LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation podmínky: inverzní populace rezonátor

13 Emise a absorpce světla LASER E k =h W

14 Thomsonův model atomu (1904) Rutherfordův model atomu 1909 experiment 1911 model

15 1913

16 Rentgenové záření Em maximální energie fotonu rentgenového záření E m =h m =e U = E k νm maximální frekvence fotonu Ek kinetická energie elektronu

17 1895

18 1895

19 Moseleyho zákon význam protonového čísla Z 1911 Rutherford Z A/ 2 van den Broek: Z pořadí v periodické tabulce m(co)=58.9 u m(ni)=58.7 Z(Co)=27 Z(Ni)=28 Dvoji Henry Moseley ( ) Moseley: rentgenová emise atomů f =k 1 Z k f K = Z f L = Z 7.4

20

21 Složení jader původní představa: jádro složeno z protonů a elektronů (ale problém spinu: těžký vodík deuteron má spin 1) J. Chadwick (1932) objev neutronu W. Heisenberg (1932) jádro složeno z protonů a neutronů

22 Vlastnosti protonu a neutronu klidová hmotnost: (klidová energie E0 = m c2) 1 ev = 1, J, 1 MeV/c2 = 1, kg mp = 938,27 MeV/c2 = 1, kg mn = 939,57 MeV/c2 = 1, kg klidová energie: mpc2= 938,27 MeV mnc2= 939,57 MeV náboj: Qp = +e, Qn = 0 C spin: sp = sn = ½ (platí Pauliho vylučovací princip jaderné hladiny) stabilita: proton stabilní rozpad neutronu (poločas 12 min)

23 Označování a klasifikace jader označení hmotnostní (nukleonové) číslo A izobary protonové číslo Z izotopy neutronové číslo N izotony izoméry stabilní a nestabilní jádra sudo sudá, lichá, licho lichá jádra sférická a deformovaná jádra

24 Izotopické složení prvků

25 Izotopické složení prvků ~ 270 stabilních jader pouze 20 monoizotopických prvků (60 % sudo sudých, 38 % lichých) ostatní prvky izotopické poměry: : (3He : 4He) 49.5 : 50.5 (81Br : 79Br) izotopické poměry ovlivněny fázovými přechody (led, voda, pára)

26 Separace a obohacování izotopů separace a obohacování: různé izotopy různé fyzikálně chemické vlastnosti hmotnost, difúze, tepelná vodivost, viskozita, adsorpce, tlak nasycených par, hustota, rovnovážné a rychlostní konstanty chemických reakcí, odlišné chování v elektrickém a magnetickém poli, index lomu, izotopický posuv v elektronových spektrech, vibrační molekulová spektra

27 Separace a obohacování izotopů magnetická separace difúze a termodifúze destilace, elektrolýza odpařování odstřeďování laser

28 Hmotnostní spektrograf

29 Rozměr jader rozptyl částic, elektronů, neutronů určování poloměru hustota jader (kapalina)

30 Vazebná energie jader krátký dosah jaderných sil: B ~ A (nikoli B ~ A2) závislost B/A fúze lehkých jader štěpení těžkých jader

31 Radioaktivita rozpadový zákon rozpadová konstanta alfa (238U: T1/2= 4,5.109 let) poločas rozpadu T1/2 beta střední doba života typy radioaktivity aktivita A = N jednotky 1Bq, 1Ci=37GBq rozpadové řady aplikace radioaktivity beta (14C: 5730 let) beta+(18f: 110 min) K záchyt (40K: 2,3.109 let) gamma (60Ni*) elektronová konverze

32 Aplikace radioaktivity datovací metody (radiokarbonová, draslík argonová...) značení atomů a molekul zobrazovací metody (medicína) pozitronová emisní tomografie (PET)

33 Interakce záření s hmotou nabité částice: ionizují atomy neutrální částice: fotony: fotoelektrický jev Comptonův jev tvorba párů e+, e neutrony: jaderné reakce absorpce e,, n: absorpční zákon absorpční koeficient polotloušťka x1/2

34

35 Dozimetrie radiační dávka D jednotka: 1 Gy (gray) = 1 J kg 1 3 Gy: 50 % populace zemře dávkový ekvivalent H = D Q N Q jakostní faktor (záření) N modifikující faktory (čas) jednotka: 1Gy = 100 rad 1 Sv (sievert) = 1 J kg 1 (radiation absorbed dose) 1Sv = 100 rem ' dávkový příkon D = dd/dt jednotka: Gy s 1 normy pro ef. dávku: 1 msv / rok (obyvatelstvo) 50 msv / rok (jaderní pracovníci) příkon dávkového ekvivalentu H'= dh/dt [Sv s 1] ekvivalentní dávka H = wr D váhový faktor wr= 1 20 efektivní dávka E (orgány)

36 Jaderné reakce štěpení jader B/A 1 kg 235U: 8 x 1013 J (3 x 106 kg uhlí) AA 235 U: štěpení pomalými neutrony (Ek= 0.02 ev) 2,51 neutronu/štěpení (Ek= 2 MeV) zpomalení na 0.02 ev: moderátor (H2O, D2O, grafit, H3BO3) 238 U: štěpení rychlými neutrony (Ek>1.1 MeV)

37 Jaderný reaktor primární neutrony: 10 6 s 0,1 s (99,25 %) sekundární neutrony: 0,07 s 80,2 s (0,75 %) lze regulovat: absorbátor: H3BO3, Cd tyče obohacení 235U: 4 % 1,0000 < k < 1,0075

38 Jaderné reakce fúze jader B/A A Abingdon v Anglii TOKAMAK JET: 1997 d+t výkon 16.1 MW, uvolněná energie 22 MJ, stabilní výkon 4MW po 4s podmínky pro fúzi: miliónů kelvinů čas 1 2 s, hustota 2 3 x 1020 jader/m 3 vodíková bomba řízená termojaderná reakce

39 Tokamak ITER Cadarache v jižní Francii zahájení: 2007 provoz: od 2016 objem: 840 m3 výkon: 500 MW zážehy fúze: 500 s palivo: 0.5 g d+t cena: 10 G

40 výhody fúze: zásoby: 5 x 1016 kg deuteria, 1 km3 vody = energie ropy na Zemi spotřeba: miliarda let radioaktivní odpad: 100 let (jaderné reaktory let) bezpečnost: nestabilita > ukončení fúze

41 Vznik prvků ve vesmíru velký třesk: 1 s 100 s vznik lehkých prvků (H, He, Li) hvězdy: od 1 mld. let vznik ostatních prvků: fúzí lehčí prvky do Fe těžší prvky především záchytem neutronu a beta rozpadem

42 Vznik prvků ve vesmíru

43 Příprava transuranů

44 Jaderná fyzika a nanotechnologie Jaderné analytické metody IBA (ion beam analysis): soubor metod prvkové složení s hloubkovým rozlišením 5 20 nm (do hloubky ~ nm, citlivost: ~ ppm) tloušťky tenkých vrstev jednotlivé metody: RBS (Rutherford backscattering spectrometry) vyšší Z FReS (Forward recoil spectrometry) Z < 9 ERDA (Elastic recoil detection analysis) Z < 9 NRA (Nuclear reaction analysis) Z < 9 PIXE (Particle induced X ray emission analysis) 20 ppb Kanálování (Ion channeling analysis) krystaly (defekty)

45 PIXE

46 Jaderná fyzika a nanotechnologie Jaderné analytické metody CPAA (charged particle activation analysis) PIXE (particle induced X ray emission) NRM (nuclear reaction method) RBS (Rutherford backscattering spectrometry)

47 Jaderné analytické metody Neutronová aktivační analýza

48 Jaderná fyzika a nanotechnologie Iontová implantace Tandetron v Řeži u Prahy 0,4 25 MeV, max. 10 A kovové ionty do dielektrik (sklo, keramika, polymery) energie: kev MeV parametry implantace: teplota, energie, náboj iontů, implantační hloubkový profil, dávka vznikají: kovové nanočástice, nanovrstvy, domény ionty Au 1,7 MeV do skla, 1016 iontů/cm2

49 Elementární částice leptony neinteragují silně kvarky interagují silně částice antičástice kvark antikvark lepton antilepton elektron pozitron nosiče základních interakcí graviton?

50 Základní interakce v přírodě

51 Vázané systémy kvarků

52 Urychlovače radioaktivní látky do 15 MeV kosmické záření ~ 1013 MeV, ale ev 1 cm 2 s 1 sr 1 málo! lineární urychlovače: van de Graaffův E k =Q U E k MeV, I A lineární rezonanční urychlovače (urychlování vysokofrekvenčním elektromagnetickým polem)

53 Urychlovače kruhové urychlovače: cyklotron (B konst., f konst.) synchrocyklotron (B konst., f klesá relativistická obl.) synchrotron (R konst. co největší ztráty, B roste) betatron (B proměnné, indukované E urychluje) CERN LHC p+p 7 TeV + 7 TeV

54 Detektory detekce nabitých částic: ionizace detekce neutrálních částic: konverze na nabité částice plynové detektory: ionizační komory proporcionální počítače Geiger Muellerovy počítače další detektory: scintilační polovodičové mlžné a bublinové komory jaderné emulze driftové komory kalorimetry Čerenkovovy počítače