Příběh atomového jádra

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

Stručná histori jádra

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

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

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 1 1 4 θ 16πε 0Ekin sin Ernst Ruthrford

Modly atomu mz platnosti Ruthrfordovy formul

Modly atomu mz platnosti Ruthrfordovy formul

Modly atomu mz platnosti Ruthrfordovy formul dσ = dω 1 1 4 θ 16πε 0Ekin sin

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 14-10 17!!!

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 7 15 10 m 3.310 MV s 6.6 10 m podobné protonu. Bylo jasné, ž nutron pc 100 MV E = ( m c ) j chybějícím konstituntm jadr. 0.511 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!

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 7 15 10 m 3.310 MV s 6.6 10 m podobné protonu. Bylo jasné, ž nutron pc 100 MV E = ( m c ) j chybějícím konstituntm jadr. 0.511 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

Intrakc v jádrch

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 http://www.fnal.gov/ Jadrné síly výměna pionů např. možná též výměna π nbo π - m V π 0 mπ c 1 r končný dosah intrakc r https://makmphy.wordprss.com/

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 (1907-1981)

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

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.:

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

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

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

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 (1900-58) (1885-196) sldují káču

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: 1 1930: 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 1998-01) 1968: S. Glashow,. Salam, S. Winbrg odvozují torii lktroslabých intrakcí s využitím intrmdiálních bosonů W ± a (prokázány 1983) základní vrtx Enrico Frmi (1901-1954) q slabý rozpad pionu β rozpad nutronu q rozptyl lktronu na kvarku/nutrinu t

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

Struktura a rozpady jadr

Mapa jadr 339 přírodních izotopů na mi 88 primordiálních 54 stabilních 34 dlouhožijících 51 krátcžijících (dcřiných) 3000 (cca) synttických nstabilních izotopů v Labu 6000-7000 (cca) izotopů s B>0

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

Mapa jadr Sada intraktivních map nuklidů: http://www.nndc.bnl.gov/chart/

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

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 = = 15.75 MV = 17.8 MV = 0.711MV = 3.7 MV 11.18 MV sudosudé 0 povrchový čln () S sudoliché, lichosudé 11.18 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

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

Vazbová nrgi jadr data B [MV]

γ ν ν ν X X Y X Y X Y X Y X * 1 1 1 4 4 H α β β γ Rozpady jadr Hlavní typy rozpadu: EC (záchyt ) α β β N n. EC

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

β Rozpady jadr Y X Y X Y X ν ν ν 1 1 1 β β EC (záchyt ) α β β n. EC N 10 Bi 10 Po - ν E max = Q = 1.16 MV

β Rozpady jadr Y X Y X Y X ν ν ν 1 1 1 β β EC (záchyt ) α β β n. EC N Existuj bznutrinový dvojitý β rozpad??? ν ν?

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:

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

Elmnty jadrné tori 1) Střdní pol slupkové fkty E(4 E( ) Kolktivní jvy dlouhodosahové korlac mzi nuklony ) ) 3.33 1 rotační (dformovaná) jádra 1 vibrační (kulatá) jádra 3.88.47 3.74.33 3.60.18 3.46.04 3.3 1.90 3.18 1.76 3.03 1.6.89 1.48.75 1.34.61 1.19.47 1.05 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

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

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)