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

Fyzika IV Atomová a jaderná fyzika kontakt: Petr Alexa, Institut fyziky A 952, [email protected] 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, 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 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 m­2]  Stefan­Boltzmannův zákon: 

I = T 4 Stefanova­Boltzmannova  konstanta: = 5,67 x 10­8 W m­2 K­4

Wienův posunovací zákon:          −3                             K m T =2,898.10 max 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 10­34 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 .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, 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

●

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 

–

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)

●

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

●

dávkový ekvivalent H = D Q N –

Q jakostní faktor (záření)

–

N modifikující faktory (čas)

jednotka:

1Gy = 100 rad

1 Sv (sievert)  = 1 J kg­1

 (radiation absorbed dose)

1Sv = 100 rem

' 

●

dávkový příkon D = dD/dt

●

jednotka: Gy s­1

normy pro ef. dávku: 1 mSv / rok (obyvatelstvo) 50 mSv / rok (jaderní pracovníci)

●

●

příkon dávkového ekvivalentu  H'= dH/dt  [Sv s­1] 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: 10­6 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: 100­200 miliónů kelvinů čas 1­2 s, hustota 2­3 x 1020 jader/m­3       

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 beta­rozpadem ●

Vznik prvků ve vesmíru

Příprava transuranů

Jaderná fyzika a nanotechnologie Jaderné 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 nanotechnologie Jaderné analytické metody  CPAA  (charged particle activation analysis) ● PIXE  (particle induced X­ray 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 10­39 eV­1 cm­2 s­1 sr­1 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 Geiger­Muellerovy počítače další detektory: scintilační polovodičové mlžné a bublinové komory jaderné emulze driftové komory kalorimetry Čerenkovovy počítače