Transcript Ядрена физика

8ма Балканска школа по ядрена физика
УЧИТЕЛСКИ КВАЛИФИКАЦИОНЕН КУРС
Ядрена физика – ядрена структура
Георги Райновски
Софийски Университет
Св. Климент Охридски
От какво е изграден светът?
Древна алхимия
ДревнаЗемя
Персия – 758 пр. Хр.
Месопотамия, Египет, Индия
Япония, Китай
древна Гърция, Рим
средновековна Европа
Въздух
Цели:
- да се изнамери метод за
превръщането оловото в злато
- да се открие еликсира на
вечната младост
Защо оловото е поразпространено от златото?
Огън
Вода
По важни събития от историята на
ядрената физика
• 1896 – Becquerel – открива радиоактивността;
• 1898 – Curie – изолират Ra;
• 1911 – Rutherford – открива атомното ядро
• 1917 – Rutherford, Mardsen протона;
• 1919 – Rutherford – открива ядрените превръщания при ядрени реакции;
• 1919 – Aston – разработва първия мас спектрометър;
• 1925 – Goudsmit, Uhlenbeck – собствен спин;
• 1928 – Gamov, Gurney, Condon – теория на - разпада;
• 1930 – Pauli – неутринна хипотеза;
• 1931 – Van de Graaff – първи електростатичен ускорител;
• 1931 – Sloan, Lawrence – първи линеен ускорител;
• 1932 – Lawarence, Livingston – първи циклотрон;
• 1932 – Anderson – открива поситрона;
По важни събития от историята на
ядрената физика
•1932 – Chadwick – открива неутрона;
•1932 – Cockcroft, Walton – ядрени реакции, чрез използване на ускорител;
• 1934 – I. Curie, F. Joliot – откриват изкуствената радиоактивност;
• 1934 – E. Fermi – теория на -разпада;
• 1935 – Yukawa – мезонна хипотеза;
• 1935 – Bothe – предлага техниката на съвпадение;
• 1936 – N. Bohr – теория на съставното ядро;
• 1938 – Hahn, Strassmann/Meitner, Frisch – откриват ядреното делене;
• 1938 – Bethe – ядреното сливане е енергетичния източник на звездите;
• 1939 – Borh, Wheeler – първи модел описващ ядреното делене;
• 1940 – McMillan, Seaborg – получават първия изкуствено създаден елемент;
По важни събития от историята на
ядрената физика
• 1942 – Е. Fermi – първи ядрен реактор;
• 1945 – първа ядрена бомба;
• 1946 – Gamow – Big Bang космология;
• 1946 – Bloch, Purcell – ядрено-магнитен резонанс;
• 1947 – Libby – радиоактивно датиране;
• 1949 – Mayer, Jensen, Haxel, Suess – слоест модел на атомното ядро;
• 1952 – първа термоядрена бомба;
• 1953 – A. Borh, B. Mottelson – колективен модел на атомното ядро;
• 1955 – Nilsson – деформиран слоест модел;
Ядрена физика
http://www.lbl.gov/abc/wallchart/index.html
Скала на размерите в микросвета
R  1.2 A
1/3
2  7fm (1 fm = 10 m)
-15
Ако приемем че дължината на футболен стадион (~100 м) е
равна на диаметъра на атома, то диаметъра на ядрото е колкото
костилка от череша (~6 мм)
Единици в Ядрената Физика
• Енергия;
1 eV = 1.602 × 10-19 J
Типичните енергии на  и β
лъченията
са ~1MeV
E=eU
U=1V
100 W ел. Крушка, за 1 час ще отдели:
E
P.t
5
3.6 10 J
100 W 60
1.602 10
60 s
19
J eV
360000 J
2.25 1024 eV
2.25 YeV
• Температурен еквивалент
1eV 1.60217653(14)1019 J

kB 1.3806505(24)1023 J/K
 11604.505(20)K  104 K
Единици в Ядрената Физика
Large Hadron Collider
протони до 7 TeV
Мравка тежаща 1 g се движи със скорост 5 cm/s
E
7 TeV/u
3
10
m v2
kg
5 10
2
m
s
2
2
1.25 10
1.602 10
6
19
J
0.78
J eV
2
1.25 10
1013 eV
6
J
7.8 TeV
Колко нуклеона има в една мравка (от C)?
NA
23
6.022 10
# C
mol g
# p
1g
12
23
6.022 10
# n
6
6
mol g
# C
22
5 10
E
нук
1.6
10
5 1023 u
• 210 MeV – средната енергия отделяна при деленето едно ядро 239Pu
• 200 MeV – средната енергия отделяна при деленето едно ядро 235U
Тротилов еквивалент: t(gTNT), mt(kgTNT), t(tTNT), kt(ktTNT)
1 gram TNT = 4184 J
• 13.6 eV – йонизационната енергия на водорода
• 1/40 eV – топлината енергия при стайна температура
9
eV u
Енергетична скала в ядрената
физика
100 MeV
1 keV
10-5
1K
100
300 K
105
107 K
центъра
на
Слънцето
1010
eV
Основни означения
A
X
Z N
238
92
U
146
XZ
U92
A
XN
238
U
A=N+Z
A
X
238
238=146+92
146
U
Z – константа – изотопи (112Sn, 114Sn,115Sn,116Sn,118Sn,120Sn)
N – константа – изотони (132Te, 134Xe, 136Ba, 138Ce)
Ядрена маса и енергия на свързване
2
m N, Z c
2
mатом c
Z
2
Bei  10 – 100 keV
m(N,Z) = A*1000 MeV
Bei
Z me c
i 1
B N, Z
B N, Z
B N, Z
Z mp
N mn
Z mp
Zm
1
mатом
me
N mn
H
N mn
Z me
mA
10-6
c2
c2
mA
c2
По дефиниция: 1 u (amu) = 1/12 M(12C) или M(12C) = 12 u
1 u = 1.6605 10-24 g
c2 = 931.494 MeV/u
mp = 1.00782503207(10) u
mn = 1.0086649157(6) u
Енергия на свързване
1
m( X N )  [ Zm( H)  Nmn  2 B( N , Z )]
c
A
Z
1
  (m(ZA XN )  A)c2
Енергетичния остатък/излишък от образуването на ядрена свързана система
Ru
Xe
B/A  const =
=8.0(8) MeV
B  A(A-1)
Ядрено делене
D + D  3He + n
Сливане
BA
най-близки съседи
Граници на съществуване ядрената материя
Делене (за ядра с А > 230)
Z2/A  41
S
S
Ядрени разпади
-разпад:
Protons
•
•
•
•
излъчване на 4He ядра
ZZ-2
NN-2
AA-4
EC

Neutrons
 - разпад
• излъчване на 
• Z,N,A=const
Електронен захват (EC)
• Поглъщане на e- и
излъчване на n
• ZZ-1
• NN+1
• A=const
Карта на нуклидите
• До днес са
идентифицирани
около 3000 нуклида;
• От тях само 284 са
стабилни;
• Известни са 118 химични
елемента (потвърдени до
Z=110 Ds - Darmstadtium,
Z=111 Rg – Roentgenium,
Z=112 Cn - Copernicium);
Фундаментални взаимодействия
Взаимодействие
Проявление
Силно ядрено
Свързва протоните
и неутроните в ядро
Електромагнитно
Обуславя
взаимодействието
м/у заредени
частици
Слабо ядрено
- разпад
Гравитация
Обуславя
взаимодействието
м/у масови обекти
Сила
1
1/137
10-6
610-34
Обсег
Преносител
10-15 m
глуони
m=0
spin=1

Фотон
m=0
spin = 1
10-18
(0.1%D(p))
Векторни
бозони
W+, W-, Z0
m > 80 GeV
spin = 1

гравитон(??)
m=0
spin = 2
Ядрени сили и ядрен многочастичен
проблем
Физически факултет на СУ Св. Кл. Охридски
Физически факултет на СУ Св. Кл. Охридски
Катедри
Астрономия + Оптика и спектроскопия
Атомна физика
Метеорология и геофизика
Теоретична физика
Методика на обучението по физика
Радиофизика и електроника
Квантова електроника
Физика на твърдото тяло и микроелектрониката
Физика на кондензираната материя + Физика на полупроводниците
Обща физика
Ядрена техника и енергетика
Бакалавърска степен – 11 специалности
Физика, Ядрена техника и енергетика, Медицинска физика
Магистърска степен – 24 специалности
Физика на ядрото и елементарните частици
Ядрена енергетика и технологии
Медицинска физика
Докторска степен – 01.03.04, 01.03.05, 01.03.06
Ден на отворените врати във Физически факултет – 21.04.2012
ИНТЕРЕСЪТ НА МЛАДИТЕ ХОРА КЪМ ФИЗИКАТА, ПОТРЕБНОСТТА ИМ ОТ КОНКРЕТНА
ИНФОРМАЦИЯ ЗА СПЕЦИАЛНОСТТА И УКРЕПВАНЕ ВРЪЗКИТЕ НА ФИЗИЧЕСКИ ФАКУЛТЕТ С
НЕГОВИТЕ БЪДЕЩИ СТУДЕНТИ
1. Откъде се появи интересът Ви към физиката?
ИНТЕРЕСЪТ НА МЛАДИТЕ ХОРА КЪМ ФИЗИКАТА, ПОТРЕБНОСТТА ИМ ОТ КОНКРЕТНА
ИНФОРМАЦИЯ ЗА СПЕЦИАЛНОСТТА И УКРЕПВАНЕ ВРЪЗКИТЕ НА ФИЗИЧЕСКИ ФАКУЛТЕТ С
НЕГОВИТЕ БЪДЕЩИ СТУДЕНТИ
2. С какво Ви привлича физиката като професия?
3. С какво Ви притеснява физиката като професия?
Естествена радиоактивност
4n + 1 (Нептуниева) – 237Np(2.14106y) …..209Bi
4n + 2 (Уранова)
–
238U(4.47109 y)
…
222Rn(3.8d)
240Pu
..206Pb
6.5ky
4n + 3 (Актиниева) – 235U(7.04108y) …..207Pb
236U
4n – серия
ториева серия
Други
40K (1.28109 y)
87Rb (4.81010 y)
113Cd (91015 y)
115In (4.41014 y)
138La (1.31011 y)
176Lu (3.61010 y)
187Re (51010 y)
228Th
23My
232Th
1.91y
14Gy
228As
6.13h
224Ra
228Ra
3.66d
5.75y
220Rn
55.6s
Z
216Po
212Po
0.15s
11h
212Bi
61m
212Pb
208Pb
10.6h
208Tl
3.1m
N
В непрекъснато производство
14N + n  14C (5730y)+ p
Полу-емпирична масова формула
1930 Von Weizsäcker течно-капков модел
B( N , Z )  avol A  asurf A
2/3
15.5 MeV
SR2A2/3
16.8 MeV
 ac Z ( Z  1) A
3 e2
Z ( Z  1)

5 4 ò0 R0
A1/3
 asym
( A  2Z )

A
ZN
23 MeV
0.72 MeV
15
B/A (MeV/nucleon)
1/3
2
Само 4 стабилни
нечетно-нечетни:
2H, 6Li, 10B, 14N
ap A 3 4 за четни N и Z
0 за N или Z нечетно
ap A 3 4 за нечетни N и Z
10
5
ap= 34 MeV
50
100
150
200
250
A
Линия на стабилност
m(Z , A)  Zm( H)  Nmn  B(Z , A) / c
1
 m( Z , A) 
0


 Z
 Aconst
Z min 
[mn  m(1 H)]  ac A1/3  4asym
2ac A1/3  8asym A1
A 40
A
Z min 
2
Нечетно А
A 40
Z min


A
2
57La
A = 128
T1/2=3.5 m
A = 125
A
1
2 1  1 A2/3 ac
4
asym
Четно А
49In
56Ba
49In
2
55Cs
T1/2= 12 s
50Sn
T1/2=45 m
51Sb
50Sn
T1/2= 9.52 m
m(Z,A)
54Xe
51Sb
T1/2= 16.9 h
T1/2= 2.76 y
53I
Z
T1/2= 54 d
52Te
-: n  p + e- + 
55Cs
53I
2
52Te
+: p  n + e+ + 
56Ba
54Xe
132Cs
– селектиране на канал
Поляризационни измервания
2
V
V
4
H
3
1 Nv  Nh
P
Q( E ) N v  N h
Q(E) – P.M. Jones et al., NIM A 362 (1995) 556
Main band
Side band
Inerband transitions
1.0
-ray polarisation P
H
1
Electric
0.5
0.0
-0.5
-1.0
Magnetic
300
400
500
600
E [keV]
700
800
900