Fyzika atomového jádra (NJSF064) František Knapp http://www.ipnp.cz/knapp/jf/ frantisek.knapp@mff.cuni.cz
Literatura [1] S.G. Nilsson, I. Rangarsson: Shapes and shells in nuclear structure [2] R. Casten: Nuclear structure from a simple perspective [3] K. Heyde: Basic ideas and concepts in nuclear physics [4] A.Brown: Lecture notes in nuclear structure physics [5] C. Bertulani: Nuclear physics in a nutshell [6] W. Greiner, Maruhn: Nuclear models [7] Y. M. Shirokov, N. P. Yudin: Nuclear physics [8] K. Heyde: The nuclear shell model [9] Zelevinsky, Volya: Physics of atomic nucleus Zápočet: úkoly
O čem bude fyzika jádra? Základní charakteristiky jaderných stavů mapa jader, vazbové energie, spin, parita, spektra jader Jaderné modely kapkový model, slupkový model, kolektivní model Nukleon-nukleonová interakce deuteron, základní představy o NN interakci, Rozpady jader,, rozpad, klasifikace rozpadů Jaderné reakce přímé reakce, složené jádro
Proč je fyzika jádra zajímavá? Atom. jádra unikátní objekty pro studium kvantových jevů Unikátnost: mnohočásticové systémy s kolektivním chováním problém typu 1-,2-100 - (ale ne 10 23 častíc) v jaderných systémech důležitá ELMG, silná i slabá interakce víceškálová fyzika, jednotlivé škály nejsou dobře odděleny komplikovanost nukleon-nukleonové interakce bohatost jevů, které můžeme studovat, mezihra individuálních vlastností nukleonů a jejich kolektivního chování Důsledky: neexistence standardního modelu, mnoho (na první pohled neslučitelných) představ - modelů fenomenologie (učíme se z experimentů)
fyzika jádra fyzika el. částic Jádro : mnohoškálová fyzika Stupně volnosti Energie (MeV) Co vidíme záleží od rozlišení kvarky, gluony 940 hmota nukleonu =h/p < 0.0001 fm : kvarky baryony, mezony protony, neutrony nukleonové proudy a hustoty 140 hmota pionu 8 separační energie protonu v Pb 1,32 vibrační stav v Sn 0.1-1 fm: nukleony, mezony 1 fm : vibrace 10 fm: rotace kolektivní pohyby 0,043 rotační stav v U fyzika jádra
Proč je fyzika jádra složitá Fundamentální teorie QCD komplikované - neexistuje odvození NN potenciálu ze základních principů -mnohočásticový problém -Efektivní teorie: stavební kameny Zdroj C. Bertulani: Nuclear physics in a nutshell Baryony: pn,, Mezony:,,... -moderní ab-initio metody: NN potenciál z chirální poruchové teorienízkoenergetický limit QCD
zhruba 3300 známých izotopů, 270 stab., odhadem 8000 nepozorovaných produkce nových jader směrem k drip liniím na zařízeních s radioakt. svazky (RIKEN, GSI, GANIL ) 1 1 H 294 118 Og Mapa jaderné krajiny Zdroj: http://www.triumf.ca/chemistry/chemistry-and-nuclear-cosmology
Charakteristiky jader Hmota m A, Z a vazbová energie B A, Z m A, Z c 2 = Zm p c 2 + (A Z)m n c 2 B A, Z m p c 2 = 938. 272 MeV m n c 2 = 939. 565 MeV Spektra (hladiny): spin, parita ( J π ) Spin - celkový impulsmoment hladiny (kvantovomechanický součet orbitálních momentů a spinů individuálních nukleonů) Elektrické momenty mnoho jader má nenulový kvadrupolový moment - deformace Magnetické momenty Nestabilní jádra: rozpadové schéma, doba života, pravděpodobnosti přechodů
Empirická fakta o jádrech krátkodosahovost jaderných sil: 10 15 10 14 m vazbová energie na jeden nukleon B/A je téměř konstantní (8.5 MeV) pro A > 20 -> saturace hustota uvnitř jádra je prakticky konstantí a nezávisí od A (poloměr pro středně težká a těžká stabilní jádra R = r 0 A 1/3, r 0 = 1.2 fm) poloměry 1-10 fm hmoty zrcadlových jader (Z N) (po korekci na Coulombickou interakci) jsou téměř stejné sekvence hladin (spin, parita) u zrcadlových jader jsou téměř stejné existuje jenom jeden vázaný dvounukleonový stav deuteron ( J π = 1 + ) NN spinový triplet a izospinový singlet (J=1, T=0) deuteron má nenulový kvadrupolový moment všechna sudo-sudá jádra: základní stav J π = 0 + známe jen 4 stabilní licho-lichá jádra 2 H, 6 Li, 10 B, 14 N, (+ metastabilní stav 180m Ta)
Charakteristiky jader užitečný zdroj informací: www.nndc.bnl.gov/nudat2/
Vazbová energie saturace vazb. energie na jeden nukleon B(A,Z)/A 8-9 MeV pro A > 20 krátkodosahovost jaderných sil B A, Z = Zm p c 2 + (A Z)m n c 2 m A, Z c 2 Převzato z [4].
Separační energie nukleonů S n (A, Z) = B A, Z B A 1, Z http://nuclearmasses.org/ Z N separační energie neutronu při konstantním N roste s Z sudo-lichý efekt
Separační energie nukleonů S p (A, Z) = B A, Z B A 1, Z 1 http://nuclearmasses.org/ Z N separační energie protonu při konstantním Z roste s N sudo-lichý efekt
Separační energie nukleonů S 2n http://nuclearmasses.org/ eliminace sudo-lichého efektu S 2n (A, Z) = B A, Z B A 2, Z S 2p (A, Z) = B A, Z B A 2, Z 2 S α (A, Z) = B A, Z B A 4, Z 2 S 2p S α
Separační energie nukleonů separační energie 2n (2p) při konstantním Z (N) klesá s rostoucím N(Z) existence zlomů pro specifické hodnoty N,Z magická čísla http://nuclearmasses.org/