Ядрена физика
Download
Report
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)1019 J
kB 1.3806505(24)1023 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
XZ
U92
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
BA
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
ZZ-2
NN-2
AA-4
EC
Neutrons
- разпад
• излъчване на
• Z,N,A=const
Електронен захват (EC)
• Поглъщане на e- и
излъчване на n
• ZZ-1
• NN+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
610-34
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(2.14106y) …..209Bi
4n + 2 (Уранова)
–
238U(4.47109 y)
…
222Rn(3.8d)
240Pu
..206Pb
6.5ky
4n + 3 (Актиниева) – 235U(7.04108y) …..207Pb
236U
4n – серия
ториева серия
Други
40K (1.28109 y)
87Rb (4.81010 y)
113Cd (91015 y)
115In (4.41014 y)
138La (1.31011 y)
176Lu (3.61010 y)
187Re (51010 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
SR2A2/3
16.8 MeV
ac Z ( Z 1) A
3 e2
Z ( Z 1)
5 4 ò0 R0
A1/3
asym
( A 2Z )
A
ZN
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
Aconst
Z min
[mn m(1 H)] ac A1/3 4asym
2ac A1/3 8asym A1
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