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

Podobné dokumenty
Rozměr a složení atomových jader

Přednášky z lékařské biofyziky Biofyzikální ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity, Brno

2. Atomové jádro a jeho stabilita

Relativistická dynamika

Interakce záření s hmotou

Životní prostředí pro přírodní vědy RNDr. Pavel PEŠAT, PhD.

Aplikace jaderné fyziky (několik příkladů)

JADERNÁ FYZIKA. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Fyzika mikrosvěta - 3. ročník

Typy interakcí. Obsah přednášky

8.STAVBA ATOMU ELEKTRONOVÝ OBAL

Fyzikální vzdělávání. 1. ročník. Učební obor: Kuchař číšník Kadeřník. Implementace ICT do výuky č. CZ.1.07/1.1.02/ GG OP VK

Vlastnosti atomových jader Radioaktivita. Jaderné reakce. Jaderná energetika

c) vysvětlení jednotlivých veličin ve vztahu pro okamžitou výchylku, jejich jednotky

jádro a elektronový obal jádro nukleony obal elektrony, pro chemii významné valenční elektrony

Seznam otázek pro zkoušku z biofyziky oboru lékařství pro školní rok

I N V E S T I C E D O R O Z V O J E V Z D Ě L Á V Á N Í. neutronové číslo

Prvek, nuklid, izotop, izobar, izoton

vysokoteplotního plazmatu na tokamaku GOLEM

R10 F Y Z I K A M I K R O S V Ě T A. R10.1 Fotovoltaika

ZÁŘENÍ V ASTROFYZICE

Atomová a jaderná fyzika

RADIOAKTIVITA KAP. 13 RADIOAKTIVITA A JADERNÉ REAKCE. Typy radioaktivního záření

atom Lomonosov Lavoisier Dalton Proutova modely atomů Thomsonův kladným elektronů vysílají elektromagnetické záření nedostatky: počet původ

Fyzika, maturitní okruhy (profilová část), školní rok 2014/2015 Gymnázium INTEGRA BRNO

Úvod do moderní fyziky. lekce 4 jaderná fyzika

2. ATOM. Dualismus částic: - elektron se chová jako hmotná částice, ale také jako vlnění

Jana Nováková Proč jet do CERNu? MFF UK

Maturitní otázky z předmětu FYZIKA

1. Struktura hmoty. Následující schéma uvádí tento pojem do souvislosti s dalším

Pozitron teoretická předpověď

Základy spektroskopie a její využití v astronomii

Historie zapsaná v atomech

Radioterapie. X31LET Lékařská technika Jan Havlík Katedra teorie obvodů

ATOMOVÁ FYZIKA JADERNÁ FYZIKA

Prvek, nuklid, izotop, izobar

Senzory ionizujícího záření

Fotoelektrický jev je uvolňování elektronů z látky vlivem dopadu světelného záření.

Prvek, nuklid, izotop, izobar, izoton

Okruhy k maturitní zkoušce z fyziky

ÚVOD DO JADERNÉ FYZIKY ATOMOVÉ JÁDRO

Gymnázium, Havířov - Město, Komenského 2 MATURITNÍ OTÁZKY Z FYZIKY Školní rok: 2012/2013

Detekce nabitých částic Jak se ztrácí energie průchodem částice hmotou?

Referát z atomové a jaderné fyziky. Detekce ionizujícího záření (principy, technická realizace)

Stručný úvod do spektroskopie

ÚVOD DO JADERNÉ FYZIKY ATOMOVÉ JÁDRO

INTERAKCE IONTŮ S POVRCHY II.

Chemie. Mgr. Petra Drápelová Mgr. Jaroslava Vrbková. Gymnázium, SOŠ a VOŠ Ledeč nad Sázavou

Náboj a hmotnost elektronu

Profilová část maturitní zkoušky 2017/2018

Urychlovače nabitých částic

FYZIKA MIKROSVĚTA. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Fyzika mikrosvěta - 3. ročník

SBÍRKA ŘEŠENÝCH FYZIKÁLNÍCH ÚLOH

Chemie pro KS Anorganická a analytická část

2. 1 S T R U K T U R A A V L A S T N O S T I A T O M O V É H O J Á D R A

Jádro se skládá z kladně nabitých protonů a neutrálních neutronů -> nukleony

Jaderná fyzika. Zápisy do sešitu

Maturitní témata profilová část

8.1 Elektronový obal atomu

Plazmové metody. Základní vlastnosti a parametry plazmatu

Prvek, nuklid, izotop, izobar, izoton

Chemické složení vesmíru

LEPTONY. Elektrony a pozitrony a elektronová neutrina. Miony a mionová neutrina. Lepton τ a neutrino τ

Atomové jádro, elektronový obal

RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry) + ERDA (Elastic Recoil Detection) PIXE (Particle Induced X-ray Emission)

2. Elektrotechnické materiály

Příklady Kosmické záření

Přednáška IX: Elektronová spektroskopie II.

Využití iontových svazků pro analýzu materiálů

Urychlovače částic principy standardních urychlovačů částic

VYBRANÉ DOSIMETRICKÉ VELIČINY A VZTAHY MEZI NIMI

Stavba atomu: Atomové jádro

Úloha č.: I Název: Studium relativistických jaderných interakcí. Identifikace částic a určování typu interakce na snímcích z bublinové komory.

Jaroslav Reichl. Střední průmyslová škola sdělovací techniky Panská 3 Praha 1 Jaroslav Reichl, 2017

Náboj a hmotnost elektronu

Maturitní otázky z předmětu FYZIKA

Za hranice současné fyziky

3. Radioaktivita. Při radioaktivní přeměně se uvolňuje energie. X Y + n částic. Základní hmotnostní podmínka radioaktivity: M(X) > M(Y) + M(ČÁSTIC)

METODY ANALÝZY POVRCHŮ

ATOM. Autor: Mgr. Stanislava Bubíková. Datum (období) tvorby: Ročník: osmý

Fyzika atomového jádra

Atomové jádro Elektronový obal elektron (e) záporně proton (p) kladně neutron (n) elektroneutrální

Maturitní témata fyzika

dvojí povaha světla Střední škola informatiky, elektrotechniky a řemesel Rožnov pod Radhoštěm Název školy Předmět/modul (ŠVP) Vytvořeno listopad 2012

13. Spektroskopie základní pojmy

Úvod do laserové techniky

Složení hvězdy. Hvězda - gravitačně vázaný objekt, složený z vysokoteplotního plazmatu; hmotnost 0,08 M ʘ cca 150 M ʘ, ale R136a1 (LMC) má 265 M ʘ

Fyzika opakovací seminář tematické celky:

Mlžnákomora. PavelMotal,SOŠaSOUKuřim Martin Veselý, FJFI ČVUT Praha

Radioaktivita,radioaktivní rozpad

ATOMOVÉ JÁDRO A JEHO STRUKTURA. Aleš Lacina Přírodovědecká fakulta MU, Brno

DUM č. 15 v sadě. 12. Fy-3 Průvodce učitele fyziky pro 4. ročník

DETEKCE IONIZAČNÍHO ZÁŘENÍ

Radiologická klinika FN Brno Lékařská fakulta MU Brno 2010/2011

rezonanční neutrony (0,5-1 kev) (pojem rezonanční souvisí s výskytem rezonančních maxim) A Z

Látkové množství. 6, atomů C. Přípravný kurz Chemie 07. n = N. Doporučená literatura. Látkové množství n. Avogadrova konstanta N A

L A S E R. Krize klasické fyziky na přelomu 19. a 20. století, vznik kvantových představ o interakci optického záření s látkami.

Maturitní otázky z fyziky Vyučující: Třída: Školní rok:

[KVANTOVÁ FYZIKA] K katoda. A anoda. M mřížka

Transkript:

Fyzika IV Atomová a jaderná fyzika kontakt: Petr Alexa, Institut fyziky A 952, petr.alexa@vsb.cz mobil: 607 683 702 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 1992 http://homel.vsb.cz/~ale02/fyzikaiv

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

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

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

Speciální teorie relativity

Speciální teorie relativity

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

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

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 =2,898.10 3 K m emise v kvantech: E min =h Záření černého tělesa

Fotoelektrický jev Foton: kvantum elektromagnetického vlnění s energií E=h f =h =h Planckova konstanta h = 6,623 x 10 34 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

Emise a absorpce světla LASER E k =h W

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

Emise a absorpce světla LASER E k =h W

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

1913

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

1895

1895

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 (1887-1915) 1913-4 Moseley: rentgenová emise atomů f =k 1 Z k 2 15 2 f K =2.47 10 Z 1 14 2 f L =4.57 10 Z 7.4

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

Vlastnosti protonu a neutronu klidová hmotnost: (klidová energie E0 = m c2) 1 ev = 1,6.10 19 J, 1 MeV/c2 = 1,78.10 30 kg mp = 938,27 MeV/c2 = 1,672622.10 27 kg mn = 939,57 MeV/c2 = 1,6749272.10 27 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)

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

Izotopické složení prvků

Izotopické složení prvků ~ 270 stabilních jader pouze 20 monoizotopických prvků (60 % sudo sudých, 38 % lichých) ostatní prvky izotopické poměry: 0.0001 : 99.9998 (3He : 4He) 49.5 : 50.5 (81Br : 79Br) izotopické poměry ovlivněny fázovými přechody (led, voda, pára)

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

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

Hmotnostní spektrograf

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

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

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

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

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

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)

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)

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

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: 100 200 miliónů kelvinů čas 1 2 s, hustota 2 3 x 1020 jader/m 3 vodíková bomba řízená termojaderná reakce

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 http://www.iter.org/

výhody fúze: zásoby: 5 x 1016 kg deuteria, 1 km3 vody = energie ropy na Zemi spotřeba: miliarda let radioaktivní odpad: 100 let (jaderné reaktory 10000 let) bezpečnost: nestabilita > ukončení fúze

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

Vznik prvků ve vesmíru

Příprava transuranů

Jaderná fyzika a nanotechnologie Jaderné analytické metody IBA (ion beam analysis): soubor metod prvkové složení s hloubkovým rozlišením 5 20 nm (do hloubky ~ 10000 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)

PIXE

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)

Jaderné analytické metody Neutronová aktivační analýza

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

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

Základní interakce v přírodě

Vázané systémy kvarků

Urychlovače radioaktivní látky do 15 MeV kosmické záření ~ 1013 MeV, ale 10 39 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)

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

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