Fyzika IVAtomová a jaderná fyzika
kontakt: Petr Alexa, Institut fyziky A 952, [email protected]: 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 přednáškyz 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, McGrawHill 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 relativityIVS rovnocenné, platí v nich
stejné fyzikální zákony (rovnice stejný tvar)
2. princip konstantní rychlosti světlave 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:
kontrakce délek L =L0/γ
ux '=dx 'dt '
=u x−v
1−u x v /c2 uy '=dy 'dt '
=uy
1−u x v /c2
uz '=dz 'dt '
=uz
1−u x v /c2
Speciální teorie relativity
relativistická dynamika:
hmotnost m = γ m0
hybnost p = γ m0v
energie:
celková energie
klidová energie
kinetická energie
E = m c2 = γ m0c2
E0 = m
0c2
Ek = (γ – 1) m
0c2
intenzita vyzařování [W m2] StefanBoltzmannův zákon:
StefanovaBoltzmannova konstanta: = 5,67 x 108 W m2 K4
Wienův posunovací zákon: K m
emise v kvantech:
I=T 4
max T=2,898.10−3
Emin=h
Záření černého tělesa
Fotoelektrický jev
Foton: kvantum elektromagnetického vlnění s energií
Planckova konstanta h = 6,623 x 1034 J s
Fotoelektrický jev
E energie fotonu
W výstupní práce
ν frekvence fotonu
νm minimální
frekvence fotonu
E=h f =h=h c
E=h=EkW
E k=h−W
E k=0 ⇒ hm=W
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
Thomsonůvmodel atomu(1904)
Rutherfordův model atomu1909 experiment1911 model
1913
Rentgenové záření
Em maximální energie fotonu
rentgenového záření
νm maximální frekvence fotonu
Ek kinetická energie elektronu
E m=hm=e U=Ek
1895
1895
Moseleyho zákon
Dvoji
význam protonového čísla Z
1911 Rutherford
van den Broek:Z pořadí v periodické tabulcem(Co)=58.9 u m(Ni)=58.7Z(Co)=27 Z(Ni)=28
1913-4 Moseley:rentgenová emise atomů
Henry Moseley
(1887-1915)
Z≈A/2
f =k1Z−k2
f K =2.47×1015Z−12
f L=4.57×1014Z−7.42
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 neutronuklidová hmotnost: (klidová energie E
0 = m c2)
1 eV = 1,6 .1019 J, 1 MeV/c2 = 1,78.1030 kg
mp = 938,27 MeV/c2 = 1,672622 .1027 kg
mn = 939,57 MeV/c2 = 1,6749272 .1027 kg
● klidová energie: mpc2= 938,27 MeV
mnc2= 939,57 MeV
● náboj: Qp = +e, Q
n = 0 C spin: s
p = s
n = 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
● sudosudá, lichá, licholichá jádra
● sférická a deformovaná jádra
Izotopické složení prvků
Izotopické složení prvků
● ~ 270 stabilních jader
● pouze 20 monoizotopických prvků (60 % sudosudých, 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 fyzikálněchemické 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
● poločas rozpadu T1/2
● střední doba života ● aktivita A = N● jednotky 1Bq, 1Ci=37GBq
● rozpadové řady
● aplikace radioaktivity
● typy radioaktivity
– alfa (238U: T1/2
= 4,5.109 let)
– beta● beta(14C: 5730 let)● beta+(18F: 110 min)● Kzáchyt (40K: 2,3.109 let)
– gamma (60Ni*)● elektronová konverze
Aplikace radioaktivity● datovací metody
(radiokarbonová, draslíkargonová ...)● 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 kg1
3 Gy: 50 % populace zemře
1Gy = 100 rad
(radiation absorbed dose)
● dávkový příkon D' = dD/dt
● jednotka: Gy s1
● dávkový ekvivalent H = D Q N
– Q jakostní faktor (záření)
– N modifikující faktory (čas)● jednotka:
1 Sv (sievert) = 1 J kg1
1Sv = 100 rem● příkon dávkového ekvivalentu
H'= dH/dt [Sv s1]
● ekvivalentní dávka H = wR D
– váhový faktor wR= 1 – 20
● efektivní dávka E (orgány)
normy pro ef. dávku:1 mSv / rok (obyvatelstvo)50 mSv / rok (jaderní pracovníci)
Jaderné reakce štěpení jader
●235U: štěpení pomalými neutrony (E
k= 0.02 eV)
– 2,51 neutronu/štěpení (Ek= 2 MeV)
– zpomalení na 0.02 eV: moderátor (H2O, D
2O, grafit, H
3BO
3)
●238U: štěpení rychlými neutrony (E
k>1.1 MeV)
1 kg 235U: 8 x 1013 J(3 x 106 kg uhlí)
AA
B/A
Jaderný reaktor
primární neutrony:
106 s – 0,1 s (99,25 %)
sekundární neutrony:
0,07 s – 80,2 s (0,75 %)
lze regulovat:
absorbátor: H3BO
3, Cd tyče
obohacení 235U: 4 % 1,0000 < k < 1,0075
Jaderné reakce fúze jader
Abingdon v Anglii TOKAMAK JET: 1997 d+t výkon 16.1 MW, uvolněná energie 22 MJ,stabilní výkon 4MW po 4spodmínky pro fúzi: 100200 miliónů kelvinůčas 12 s, hustota 23 x 1020 jader/m3
● vodíková bomba
● řízená termojaderná reakce
B/A
A
Tokamak ITER
Cadarachev jižní Francii
zahájení: 2007provoz: od 2016objem: 840 m3
výkon: 500 MW zážehy fúze: 500 s
palivo: 0.5 g d+tcena: 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. letvznik ostatních prvků:fúzí lehčí prvky do Fetěžší prvky
především záchytem neutronu a betarozpadem
Vznik prvků ve vesmíru
Příprava transuranů
Jaderná fyzika a nanotechnologieJaderné analytické metody
IBA (ionbeam 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 Xray emission analysis) – 20 ppb● Kanálování (Ion channeling analysis) – krystaly (defekty)
PIXE
Jaderná fyzika a nanotechnologieJaderné analytické metody
● CPAA (charged particle activation analysis)● PIXE (particle induced Xray emission)● NRM (nuclear reaction method)● RBS (Rutherford backscattering spectrometry)
Jaderné analytické metodyNeutronová aktivační analýza
Jaderná fyzika a nanotechnologie Iontová implantace
Tandetron v Řeži u Prahy0,4 – 25 MeV, max. 10 A
kovové ionty do dielektrik(sklo, keramika, polymery)energie: keV – MeVparametry 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 částiceleptony – neinteragují silně
kvarky – interagují silně
nosiče základních interakcí
graviton?
částiceantičástice
kvarkantikvark
leptonantilepton
elektronpozitron
Základní interakcev přírodě
Vázané systémy kvarků
Urychlovačeradioaktivní látky do 15 MeVkosmické záření ~ 1013 MeV, ale 1039 eV1 cm2 s1 sr1 málo!lineární urychlovače:
van de Graaffův
lineární rezonanční urychlovače(urychlování vysokofrekvenčním elektromagnetickým polem)
E k=Q U
E k≈MeV , I≈ A
Urychlovačekruhové 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: ionizacedetekce neutrálních částic: konverze na nabité částice
plynové detektory: ionizační komoryproporcionální počítačeGeigerMuellerovy počítače
další detektory: scintilačnípolovodičovémlžné a bublinové komoryjaderné emulzedriftové komorykalorimetryČerenkovovy počítače