Fizyka jadrowa 4 6

background image

1

WSTĘP

DO FIZYKI

JADRA

ATOMOWEGO

IV ROK FIZYKI - semestr zimowy

Janusz Braziewicz - Zakład Fizyki Medycznej IF AŚ

A O

Wykład –4-6

background image

2

Modele jądra atomowego

Oczekujemy wyjaśnienia:
• stałej gęstości materii jądrowej
• stałej energii wiązania
• własności jąder takich, jak spin, momenty

elektromagnetyczne i ich związek z Z i N

• rozmieszczenia stabilnych izotopów na wykresie n=f(Z)
• występowania liczb magicznych
• prawidłowości występujących w stabilności izobarów

względem rozpadu

β

• systematyczności zmian energii rozpadu

α ze zmianą Z i N

• rozszczepienia jąder

background image

3

Modele jądrowe

cząstek niezależnych

powłokowy

gazu Fermiego

silnego sprzężenia

powłokowy z oddziaływaniem

resztkowym

clusterowy

kroplowy

zunifikowany

skorelowanych par

background image

4

Model
kroplowy
jądra

wyjaśnia takie własności jądra:
• masa jądra
• energia wiązania

analogia do kropli cieczy:
• stała gęstość materii
• stała energia wiązania na nukleon

e

e

e

e

e

e

n

n

p

p

e

e

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

Kropla nieściśliwej cieczy
utrzymywana w równowadze
przez krótkozasięgowe siły
mające własność wysycania się.

Energia wiązania kropli:
B = B

1

+ B

2

+ B

3

+ B

4

+ B

5

background image

5

B = B

1

+ B

2

+ B

3

+ B

4

+ B

5

-

energia objętościowa

B

1

= a

v

A

B =

B

1

+

B

2

+ B

3

+ B

4

+ B

5

-

energia powierzchniowa

B

2

= -a

s

A

2/3

B =

B

1

+ B

2

+

B

3

+ B

4

+ B

5

-

energia kulombowska

B

3

= -a

c

Z

2

A

-1/3

B =

B

1

+ B

2

+ B

3

+

B

4

+ B

5

-

energia asymetrii

B

4

= -a

A (

Z-A/2)

2

A

-1

B =

B

1

+ B

2

+ B

3

+ B

4

+

B

5

-

energia pairingu

+

δ parzyste Z i N

B

5

= 0 nieparzyste Z lub N

-

δ nieparzyste Z i N

δ≈a

δ

A

-1/2

A

a

A

r

R

R

V

V

o

jadra

=

=

=

=

3

/

1

3

3

4

π

/

2

3

/

1

2

4

A

a

A

r

R

R

S

S

o

jadra

=

=

=

=

π

3

/

1

2

3

/

1

2

5

3

=

=

=

=

=

A

Z

a

eZ

q

A

r

R

R

q

V

C

o

jadra

ie

kilombowsk

A

A

Z

a

V

A

jadra

asymetrii

2

2

⎛ −

=

background image

6

półempiryczny wzór na energię wiązania:

(

)

1/2

2

3

/

1

2

3

/

2

2

,

±

⎛ −

=

A

a

A

A

Z

a

A

Z

a

A

a

A

a

A

Z

B

a

c

s

v

δ

ponieważ

(

)

(

)

2

/

,

c

B

m

Z

A

Zm

A

Z

m

n

H

+

=

(

)

(

)

1/2

2

3

/

1

2

3

/

2

2

,

⎛ −

+

+

+

+

=

A

a

A

A

Z

a

A

Z

a

A

a

A

a

m

Z

A

Zm

A

Z

m

a

c

s

v

n

H

δ

μ

formuła masowa Weizsäckera

background image

7

Stałe
a

v

= 17.011mu = 15.85 MeV/c

2

a

c

= 0.767mu = 0.71 MeV/c

2

a

s

= 19.691mu = 18.34 MeV/c

2

a

a

= 99.692mu = 92.86 MeV/c

2

a

δ

= 12.3mu = 11.46 MeV/c

2

Formuła opisuje

średnie zachowanie

dla A>30 z dokładnością ~1%.

F o r m u ła ła tw o tłu m a c z y

r o z s z c z e p ie n ie j ą d r a .

background image

8

Model kroplowy traktuje jądro jako całość

nic nie mówiąc o poszczególnych

nukleonach.

Wyjaśnił tylko:
energię wiązania
masę jądra.

background image

9

Zależność masy w ciągu izobarów

A-nieparzyste

Istnieje tylko jeden izobar o minimalnej

wartości masy – to izobar stabilny

background image

10

Zależność masy w ciągu izobarów

A-parzyste

Istnieje więcej niż jeden izobar o

minimalnej wartości masy – to izobary

stabilne

background image

11

Szukanie minimum

dla dowolnego jądra

o liczbach Z i A

to

(

)

0

,

=

=const

A

Z

A

Z

m

(

)

0

2

/

2

2

1

0

3

/

1

0

=

+

+

A

A

Z

a

A

a

Z

m

m

A

C

n

p

3

/

2

3

/

1

0

015

.

0

98

.

1

2

A

A

a

A

a

a

m

m

A

Z

A

C

A

n

p

+

=

+

+

=

background image

12

Granice możliwości uzyskiwania energii

• oderwanie od jądra cząstki

α

(

) (

) ( )

[

]

0

4

,

2

4

,

2

,

2

>

=

c

m

A

Z

m

A

Z

m

E

α

background image

13

• proces rozszczepienia

Granice możliwości uzyskiwania energii

(

)

(

)

[

]

0

2

/

,

2

/

2

,

2

>

=

c

A

Z

m

A

Z

m

E

f

(

)

(

)

(

)

amu

A

Z

A

A

Z

a

A

a

c

E

C

S

f

3

/

1

2

3

/

2

3

/

2

3

/

1

2

3

/

2

3

/

2

2

284

.

0

12

.

5

2

1

2

1

/

+

=

+

=

zachodzi dla A od ~90

background image

14

Jądro - gaz Fermiego

• nukleony (cząstki o spinie 1/2) znajdują się w studni

potencjału

• w stanie podstawowym jądra zajęte są wszystkie stany

dozwolone przez zakaz Pauliego i pomimo silnych
oddziaływań pomiędzy nukleonami cząstka nie może
zmieniać swego stanu ruchu

• nukleony nie mogą ulegać zderzeniom

→ jądro

atomowe można w przybliżeniu traktować jako układ
cząstek niezależnych

Dla dowolnie wybranego nukleonu można określić jego

stany własne

rozwiązując równanie Schrödingera

w średnim potencjale jądra, na który składają się

oddziaływania wszystkich innych nukleonów

background image

15

Postać średniego potencjału jądra

nie jest z góry znana

założenia:
• określony przez same nukleony
• winien być zgodny z warunkiem, że jądro ma stosunkowo

ostro określony brzeg

• prostokątny sferycznie symetryczny potencjał V(r)

o wartości -V

o

dla r<R

o wartości V

o

= 0 dla r

≥R

Ψ

Ψ

=

H

E

ˆ

gdzie

+

=

j

i

ij

i

i

u

m

H

2

1

2

ˆ

2

2

η

background image

16

ponieważ cząstki nie oddziaływują ze sobą, to:
• wyznaczamy możliwe stany dla jednej z nich
• obsadzamy możliwe stany zgodnie z zakazem Pauliego

Niezależne od czasu

równanie Schrödingera

dla cząstki w prostokątnej studni potencjału

Ψ

=

⎟⎟

⎜⎜

Ψ

+

Ψ

+

Ψ

=

ΔΨ

E

z

y

x

m

m

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

η

η

( )

( ) ( ) ( )

z

Z

y

Y

x

X

r

+

+

=

Ψ

z

y

x

E

E

E

E

+

+

=

układ swobodnych cząstek o spinie 1/2 zamkniętych

nieprzenikalną ścianą - model gazu Fermiego

0

=

ij

u

background image

17

jego jednowymiarowa forma:

( )

x

X

E

x

X

m

x

=

2

2

2

2

η

to równanie postaci

( )

x

X

k

x

X

2

2

2

=

2mE

k

η

1

=

i ma rozwiązanie

(

)

(

)

x

k

i

x

k

B

x

k

i

x

k

A

e

B

e

A

X

x

ik

x

ik

λ

λ

λ

λ

λ

λ

λ

λ

λ

λ

λ

sin

cos

sin

cos

+

+

=

+

=

Wybór stałych A i B oraz wybór jednego z rozwiązań

wynika z warunków brzegowych.

( )

( )

r

k

r

ρ

ρ

=

Ψ

i

Ce

background image

18

Jeśli zamiast potencjału sferycznie symetrycznego wprowadzę

potencjał w formie kostki o boku a

, to warunki

brzegowe są wówczas następujące:

X(x)=Y(y)=Z(z)=0 dla x=y=z=±a/2

Rozwiązaniami są funkcje mające
zera na granicach potencjału i z
warunków brzegowych wynikają
unormowane rozwiązania postaci

,...

7

,

5

,

3

,

1

,

=

=

x

x

a

k

x

λ

πλ

λ

+

+

+

x

k

a

X

x

λ

λ

cos

2

1

=

+

x

k

a

X

x

λ

λ

sin

2

i

=

-

+

-

,...

6

,

4

,

2

,

0

,

=

=

x

x

a

k

x

λ

πλ

λ

-

-

-

background image

19

( )

,...

3

,

2

,

1

,

0

,

2

1

2

2

2

2

=

=

=

x

x

x

a

m

k

m

E

x

x

λ

πλ

λ

λ

η

η

możliwe wartości energii cząstki:

dla rozwiązania trójwymiarowego zachodzi więc:

(

)

2

2

2

2

2

1

z

y

x

z

y

x

a

m

E

E

E

E

λ

λ

λ

π

+

+

=

+

+

=

η

związany z tą energią pęd:

(

)

2

2

2

2

2

2

z

y

x

a

mE

p

λ

λ

λ

π

+

+

=

=

η

background image

20

weźmy teraz prostokątny układ
współrzędnych

λ

x

,

λ

y

,

λ

z

.

Ponieważ

λ przybiera wartości

całkowite - współrzędne tworzą
przestrzenna siec punktów.

η

π

π

λ

ap

ak =

=

ponieważ

Objętość przestrzeni zdefiniowana przez te
współrzędne jest proporcjonalna do
iloczynu objętości przestrzeni położeń a

3

i

objętości przestrzeni pędów p

3

, wyrażonej

w jednostkach h

3

,

3

3

3

~

~

p

a

λ

Ω

background image

21

Przestrzeń położeń i pędów nosi nazwę

przestrzeni fazowej

Liczba możliwych stanów dn, czyli liczba możliwych
punktów siatki leżących w warstwie kulistej

ρ, ρ+dρ,

gdzie , przy dostatecznej gęstości
punktów jest równa objętości warstwy

2

2

2

2

z

y

x

λ

λ

λ

ρ

+

+

=

ρ

πρ

d

d

2

4

=

Ω

ρ

πρ

d

d

dn

2

2

1

8

1

=

Ω

=

Czynnik 1/8 uwzględnia fakt, że punkty o dodatnich
wartościach

λ leżą tylko w 1/8 kuli, więc

τ

πτ

π

τ

=

=

=

3

3

2

2

3

2

,

4

2

a

dp

p

dp

p

dn

h

η

background image

22

• ponieważ cząstka porusza się swobodnie w obrębie

prostokątnej studni potencjału, równanie podaje liczbę
możliwych stanów cząstki zamkniętej w objętości a

3

,

przypadających na przedział pędu dp.

• równanie jest równoważne stwierdzeniu, że w objętości

przestrzeni fazowej równej h

3

znajduje się tylko jeden

stan.

(

)

dE

E

C

dE

E

m

dn

τ

τ

π

1

1

3

2

2

/

3

2

=

=

η

p

2

=2mE, p

2

dp=(2m

3

E)

1/2

dE

τ

πτ

π

τ

=

=

=

3

3

2

2

3

2

,

4

2

a

dp

p

dp

p

dn

h

η

background image

23

• w studni znajduje się pewna liczba cząstek o spinie 1/2
• w każdym stanie można umieścić tylko dwie cząstki
• poczynając od najniższego stanu obsadzamy coraz to

wyższe

• załóżmy, że nie ma cząstek wzbudzonych

(

układ ma temperaturę T=0 K)

liczba cząstek na przedział energii ~E

1/2

• gdy jedna z dwu cząstek ma w najwyższym z zajętych

stanów energię E

F

to liczba cząstek w studni potencjału

wynosi

• gdzie energia Fermiego

(

)

(

)

2

/

3

1

3

2

2

/

3

0

1

0

3

8

2

2

F

E

E

E

m

dE

E

C

dE

dE

dn

n

F

F

=

=

=

τ

π

τ

η

3

/

2

2

3

/

4

3

/

2

3

2

1

=

τ

π

n

m

E

F

η

background image

24

W przypadku jądra znana jest liczba cząstek i objętość
jaką zajmują

znajomość r

o

wystarcza do określenia wartości E

F

.

V

o

~40 MeV

E

F

~30 MeV

background image

25

Ponieważ mamy dwa rodzaje cząstek w jądrze -

• odpychająca siła kulombowska między protonami

powoduje zmniejszenie ich energii wiązania w studni
potencjału

• jądro to układ dwóch niezależnych od siebie gazów

Fermiego, znajdujących się w odmiennych warunkach
energetycznych

background image

26

Przebieg potencjału i stany
energetyczne w modelu gazu
Fermiego dla protonów i
neutronów

Porównanie energii wiązania w
symetrycznym i niesymetrycznym gazie
Fermiego

Nadmiar neutronów w większości trwałych jąder jest więc
spowodowany tym, że w stanie równowagi w studni
potencjału dla neutronów można zmieścić więcej cząstek, niż
w studni potencjału dla protonów, która jest płytsza o wartość
energii kulombowskiej.

background image

27

Wpływ ładunku protonu na wartość energii wiązania jądra

Całkowita energia E

T

gazu Fermiego

=

=

=

F

F

E

F

E

T

E

C

dE

E

C

dE

dE

dn

E

E

0

2

/

5

1

0

2

/

3

1

5

4

2

τ

τ

3

/

2

2

3

/

4

3

/

2

3

2

1

=

τ

π

n

m

E

F

η

3

/

2

3

/

5

3

3

/

2

3

/

5

2

=

=

A

n

C

n

C

E

T

τ

A

r

3

0

3

4

π

τ

=

background image

28

Jeśli protony byłyby bez
ładunku

i dla każdej części
wstawilibyśmy n=A/2 i
otrzymalibyśmy

3

/

2

3

/

5

3

2

1

2

=

A

A

C

E

T

Ponieważ protony mają ładunek,
to dla lewej części mamy n=Z a
dla prawej n=N i otrzymamy

(

)

3

/

5

3

/

5

3

/

2

3

Z

N

A

C

E

T

+

=

background image

29

z różnicy otrzymamy



+

=

Δ

3

/

5

3

/

5

3

/

5

3

/

2

3

2

1

2

A

Z

N

A

C

E

(

)

N

Z

T

Z

=

2

1

A

T

A

T

A

T

A

A

C

E

Z

Z

Z

2

3

/

5

3

/

5

3

/

5

3

/

2

3

~

2

1

2

2

1

2

1

+

+

=

Δ

Stosując rozwinięcie dwumianowe piszemy

i rozwijamy jak

(

)

3

/

5

3

/

5

3

/

5

/

2

1

2

2

A

T

A

T

A

z

z

=

⎛ −

(

)

p

x

1

background image

30

Promieniotwórczość

Jądra nietrwałe

jądra w stanie podstawowym, które w wyniku

emisji cząstek mogą zmieniać się
spontanicznie w jądra innego rodzaju

• jądra wzbudzone, które w wyniku

oddziaływań elektromagnetycznych mogą
przejść do stanu podstawowego

background image

31

Procesy rozpadu jąder

He

Y

X

A
Z

A

Z

4

2

4

2

+

⎯→

α

e

A

Z

A

Z

e

Y

X

~

1

ν

β

+

+

⎯→

+

e

A

Z

A

Z

e

Y

X

ν

β

+

+

⎯→

+

+

1

e

A

Z

WE

A

Z

Y

e

X

ν

+

⎯→

+

1

γ

γ

+

⎯ →

X

X

A

Z

rozpad

A

Z

*

określone
prawdopodobieństwo przejścia
(rozpadu)

λ=|C|

2

,

gdzie amplituda przejścia

C=<

Ψ

f

V⏐Ψ

i

>,

zawiera stałe uniwersalne
i zależy od funkcji falowych
jąder, które z kolei zależą od
stalych charakteryzujacych
silne i slabe oddziaływania

prawdopodobieństwo rozpadu

λ stanu nietrwałego jest

wielkością rzeczywiście stala

background image

32

definicje

stała rozpadu

dN

=-

λ

N

dt

N - liczba nietrwałych jąder w chwili t=0

• prawdopodobieństwo rozpadu pojedynczego jądra

w jednostce czasu

(1/sek)

• dN - liczba jąder, które uległy rozpadowi w czasie

dt

background image

33

aktywność

⏐dN/dt⏐=λN≡A

Jednostki

•1 kiur = 1Ci = 3.7*10

10

rozpadów/s

•1 bekerel = 1Bq = 1 rozpad/s = 0.27*10

-10

Ci

background image

34

=

=

t

t

N

N

dt

N

dN

o

0

λ

t

N

N

o

λ

=

ln

t

o

e

N

t

N

λ

=

)

(

N

(t

)

t

lnN(t)

t

o

o

t

o

N

A

e

A

A

λ

λ

=

,

λ=tg∠

background image

35

czas połowicznego zaniku

T

1/2

=ln2/

λ

średni czas życia

τ=1/λ

background image

36

krzywa wzrostu

t=0

M-N

o

P-0

t=t

M-N

P- N

o

-N=N’

(

)

t

o

e

N

t

N

λ

=

1

)

(

'

N

’(

t)

t

N

o

background image

37

Rozpad sukcesywny

1

2

3

λ

1

λ

2

1

1

1

N

dt

dN

λ

=

2

2

1

1

2

N

N

dt

dN

λ

λ

=

2

2

3

N

dt

dN

λ

=

t

e

N

N

1

01

1

λ

=

(

)

t

t

t

e

N

e

e

N

N

2

2

1

02

01

1

2

1

2

λ

λ

λ

λ

λ

λ

+

=

(

)

03

02

1

2

2

1

2

1

01

3

2

1

2

1

1

N

e

N

e

e

N

N

t

t

t

+

+

+

=

λ

λ

λ

λ

λ

λ

λ

λ

λ

background image

38

Rozpad sukcesywny

1

2

3

λ

1

λ

2

1

1

1

N

dt

dN

λ

=

2

2

1

1

2

N

N

dt

dN

λ

λ

=

2

2

3

N

dt

dN

λ

=

t

e

N

N

1

01

1

λ

=

(

)

t

t

e

e

N

N

2

1

01

1

2

1

2

λ

λ

λ

λ

λ

=

+

=

t

t

e

e

N

N

1

2

1

2

2

1

2

1

01

3

1

λ

λ

λ

λ

λ

λ

λ

λ

jeśli dla t=0 N

1

=N

01

i N

02

=N

03

=0

background image

39

Mieszanina substancji radioaktywnych powiązanych genetycznie i
pozostawionych na przeciąg pewnego czasu

1

2

3

λ

1

λ

2

przypadek I

0

,

1

1

2

>>

λ

λ

λ

A

1

- aktywność substancji macierzystej

const

N

e

N

N

dt

dN

A

t

=

=

=

=

01

1

01

1

1

1

1

1

1

λ

λ

λ

λ

małe

~1

background image

40

A

2

- aktywność substancji pochodnej

(

)

(

)

t

t

t

e

N

e

e

N

N

A

2

2

1

1

01

1

01

1

2

1

2

2

2

2

λ

λ

λ

λ

λ

λ

λ

λ

λ

=

=

A

2

początkowo narasta, lecz po kilku nT

2

i

0

2

2

nT

e

λ

1

01

1

2

A

N

A

=

λ

Aktywność sumaryczna

1

2

1

2

2

A

A

A

A

nT

t

⎯ →

+

=

>

Ze względu na małą wartość

λ

1

aktywności są tu w przybliżeniu stałe

w czasie i dlatego w takim przypadku mówimy o

promieniotwórczej równowadze wiekowej

background image

41

przypadek II

0

,

1

1

2

>>

λ

λ

λ

A

1

- aktywność substancji macierzystej

t

e

N

N

dt

dN

A

1

01

1

1

1

1

1

λ

λ

λ

=

=

=

A

2

- aktywność substancji pochodnej

(

)

t

t

e

e

N

N

A

2

1

01

1

2

1

2

2

2

2

λ

λ

λ

λ

λ

λ

λ

=

=

co po kilku czasach połowicznego zaniku substancji 2 daje

t

e

N

N

A

1

01

1

2

1

2

2

2

2

λ

λ

λ

λ

λ

λ

=

=

background image

42

Aktywność substancji pochodnej zmienia się w czasie z tą samą stałą
rozpadu co aktywność substancji macierzystej. Po tym czasie stosunek
aktywności substancji pochodnej i macierzystej wynosi

1

2

2

1

2

λ

λ

λ

=

A

A

Aktywność sumaryczna

t

nT

t

e

N

A

A

A

1

2

01

1

1

2

2

2

1

1

λ

λ

λ

λ

λ

>

⎟⎟

⎜⎜

+

⎯ →

+

=

Po czasie równym nT

2

wszystkie aktywności zmieniają się w czasie ze

stałą rozpadu substancji macierzystej. Ten przypadek nazywamy

przejściową równowagą promieniotwórczą

.

background image

43

przypadek III

1

2

λ

λ

<

A

1

- aktywność substancji macierzystej

t

e

N

N

dt

dN

A

1

01

1

1

1

1

1

λ

λ

λ

=

=

=

A

2

- aktywność substancji pochodnej

(

)

t

t

e

e

N

N

A

2

1

01

1

2

1

2

2

2

2

λ

λ

λ

λ

λ

λ

λ

=

=

background image

44

Po kilku czasach nT

1

0

1

1

nT

e

λ

01

2

1

2

1

2

1

2

,

0

N

e

A

A

t

λ

λ

λ

λ

λ

=

=

2

2

1

1

A

A

A

A

nT

t

⎯ →

+

=

>

Aktywność sumaryczna

background image

45

szeregi promieniotwórcze

A=4n+s

,

gdzie n jest liczbą całkowitą, a s=0,1,2,3

A

szereg

jądro t

1/2

wyjściowe

4n

torowy

232

Th

1.4 10

10

y

4n+1

neptunowy

237

Np

2.14 10

6

y

4n+2

uranowy

238

U

4.47 10

9

y

4n+3

aktynowy

235

U

7.04 10

8

y

background image

46

background image

47

sztuczna promieniotwórczość

• jądra wytworzone w wyniku reakcji jądrowych
• podlegają tym samym prawom statystycznym

( )

gpdz

t

e

Mg

Na

n

Al

e

15

,

,

2

/

1

~

24

12

24

11

27

13

=

+

+

ν

α

( )

y

t

e

N

C

p

n

N

e

5568

,

,

2

/

1

~

14

7

14

6

14

7

=

+

+

ν

(

)

min

39

.

20

,

,

2

/

1

11

5

11

6

14

7

=

+

+

+

t

e

B

C

p

N

e

ν

α

(

)

min

965

.

9

,

,

2

/

1

13

6

13

7

16

8

=

+

+

+

t

e

C

N

p

O

e

ν

α

( )

min

07

.

2

,

,

2

/

1

15

7

15

8

14

7

=

+

+

+

t

e

N

O

n

d

N

e

ν

( )

min

77

.

109

,

,

2

/

1

18

8

18

9

16

8

=

+

+

+

t

e

O

F

n

p

O

e

ν

(

)

min

77

.

109

,

,

2

/

1

18

8

18

9

20

10

=

+

+

+

t

e

O

F

d

Ne

e

ν

α

dla

PET

datowanie

background image

48

Rozpad

α

He

Y

X

A

Z

A

Z

4

2

4

2

+

⎯→

α

stosunki energetyczne

Q=M

X

- (M

Y

+m

α

) > 0

Q=E

Y

+E

α

background image

49

Teoria rozpadu

α

He

Y

X

A

Z

A

Z

4

2

4

2

+

⎯→

α

• tożsamość cząstek

α z jądrami helu wykazał

Rutherford w 1908

• energię cząstek określano za pomocą ich zasięgu

w powietrzu (do ~1930 roku) później zaczęto
stosować w tym celu spektrografy magnetyczne

• cząstka

α o energii 5.3 MeV (

210

Po)

ma w powietrzu zasięg 3.84 cm

• obecnie dokładny pomiar energii cząstek mierzy

się za pomocą detektorów półprzewodnikowych

background image

50

Czynniki od jakich zależy

prawdopodobieństwo rozpadu

α

teoria rozpadu na gruncie mechaniki kwantowej podana
przez G. Gamow’a

podczas łączenia cząstki

α z jądrem

V(r)=Z

1

Z

2

e

2

/r

gdy r=R

1

+R

2

=R

zaczynają działać siły jądrowe to

V

C

= Z

1

Z

2

e

2

/R

• cząstka

α w jądrze zostaje związana w jądrze

p i n znajdują się w prawdziwych stanach

związanych o ujemnej energii

• cztery nukleony łącząc się w cząstkę

α w jądrze znajdują się

w kwazistacjonarnym, metatrwałym stanie o dodatniej
energii - za to odpowiedzialna jest duża energia wiązania

α

background image

51

Prawdopodobieństwo

λ emisji cząstki α to iloczyn

• prawdopodobieństwa

λ

o

utworzenia cząstki

α

• prawdopodobieństwa

T

α

przeniknięcia bariery

potencjału przez cząstkę

α

λ =

λ

o

T

α

T

α

=

liczba skutecznych prób przenikania

______________________________

liczba wszystkich prób przenikania

współczynnik przenikania (transmisji)

background image

52

T

α

=

liczba skutecznych prób przenikania

______________________________

liczba wszystkich prób przenikania

współczynnik przenikania (transmisji)

strumień cząstek wychodzących poza barierą - j

a

strumień cząstek dobiegających do bariery - j

e

_________________________________________

Strumień (cm

-2

s

-1

)

j = |u|

2

v

prędkość cząstek

gęstość prawdopodobieństwa położenia cząstki opisanej
funkcją falową u(r) jest określona przez |u|

2

=u

*

u

background image

53

e

e

a

a

e

e

a

a

e

a

k

u

k

u

k

mv

p

v

u

v

u

j

j

T

2

2

2

2

=

=

=

=

=

=

η

α

Rozwiązując równanie Schrodingera w
obszarach cząstki 1, 2 i 3

otrzymujemy rozwiązania

(

)

r

ik

o

r

k

r

k

r

ik

r

ik

e

u

E

V

m

k

e

e

u

mE

k

e

e

u

3

,

2

,

2

1

1

3

3

,

2

2

2

2

1

1

1

1

2

1

,

2

1

,

α

β

α

β

α

=

=

+

=

=

+

=

η

η

części rzeczywiste
na rysunku b)

k

2

=ik

2

’,0

background image

54

Z warunku ciągłości na brzegach

u

1

= u

2

, u

1

= u

2

dla r=0

u

2

= u

3

, u

2

= u

3

dla r=d

i wstawieniu rozwiązań otrzymamy 4 równania
określające 5 amplitud

α

1

,

β

1

,

α

2

,

β

2

,

α

3

co pozwoli wyznaczyć stosunki dowolnych dwu

2

1

3

2

1

2

3

α

α

α

α

α

=

=

T

(

)

d

k

o

o

o

e

V

V

E

V

T

'

2

2

2

2

2

2

4

=

α

(

)

1

'

2

2

2

2

2

2

1

3

sinh

2

1

+

=

=

d

k

V

E

V

V

T

o

o

o

α

α

α

dla grubej bariery
dk

2

’>>1

Ponieważ k

e

=k

1

=k

3

=k

a

background image

55

(

)

(

)

[

]

d

E

V

m

T

o

2

/

2

exp

η

α

(

)

d

k

o

o

o

e

V

V

E

V

T

'

2

2

2

2

2

2

4

=

α

ten czynnik decyduje
o wartości

(

)

( )

[

]

=

D

dr

E

r

V

m

T

0

2

/

2

exp

η

α

dla bariery o dowolnej postaci V(r)

to jest ~1

background image

56

dla bariery V(r) postaci kulombowskiej

dr

E

r

e

Z

Z

m

G

gdzie

e

T

R

R

G

=

'

2

2

1

2

2

,

η

α

( )

( )

(

)

C

V

E

R

R

x

x

x

x

arc

x

gdzie

x

e

Z

Z

E

m

G

/

'

/

;

1

cos

/

2

2

2

2

1

=

=

=

γ

γ

η

G - czynnik Gamowa
• maleje ze wzrostem energii
• czasy połowicznego zaniku są tym

mniejsze im większa jest energia cząstek

t

1/2

~1/

λ~1/T~e

G

, ln t

1/2

~G~E

α

-1/2

przedstawiając całkę w postaci skończonej

background image

57

lnT

1/2

= A+B 1/(E

α

)

1/2

związek między stałą rozpadu i energią rozpadu E

α

dla

pierwiastków należących do tego samego szeregu

α promieniotwórczego

A - stała w obrębie

szeregu

B - stała dla wszystkich

szeregów

background image

58

Przykład:

235

U

231

Th+

4

He, E

α

=4.2 MeV

v

α

=4*10

9

cm/s w jądrze o średnicy ~10

-12

cm

~10

21

zderzeń/s

j

a

~10

-38

, j

e

~(1-10

-38

)

→ 1 na 10

38

zderzeń z barierą

daje wyjście z jądra

Czas potrzebny na jeden rozpad
10

38

zderzeń/rozpad / 10

21

zderzeń/s ~ 10

17

sek

j

e

j

a

background image

59

λ =

λ

o

T

α

?

dominujące

λ

o

–iloczyn

(1)

prawdopodobieństwa utworzenia cząstki

α we

wnętrzu jądra

(2) prawdopodobieństwa napotkania przez tę cząstkę

brzegu potencjału

Przyczynek (1) zależy od konfiguracji nukleonów w jądrze
i może być oszacowany za pomocą rachunków modelowych.

Przyczynek (2) określony głównie przez energię kinetyczną
cząstki i przez promień jądra.

background image

60

Znając

z odpowiednią dokładnością postać potencjału
jądrowego (z obserwacji rozproszeń)

oraz wartość T

α

(wynikającą z rachunków)

można wyznaczyć wartość

λ

o

na podstawie pomiaru

czasu połowicznego zaniku
i
porównać ją z przewidywaniami poszczególnych
modeli jądrowych.

λ =

λ

o

T

α

background image

61

Oddziaływanie cząstek

α z materią

• przechodząc przez środowisko oddziałują poprzez

pole elektrostatyczne z elektronami atomów -
wyrywają je z powłok jonizując atomy

• oddziałują więc nieelastycznie z elektronami

atomów tracąc stopniowo swoją energię

ośrodek

det

I

o

I

x

I/I

o

x

1

1/2

<R>

R

max

x

o

e

I

I

μ

=

background image

62

Jeśli przez -dE/dx oznaczę stratę energii na
jednostkę drogi, to z teorii mamy związek

gdzie:
v - prędkość cząstki
Z

1

- liczba atomowa cząstki

n - liczba atomów absorbenta w jednostce objętości
Z

2

- liczba atomowa tarczy

I - średni potencjał jonizacji absorbenta

I

v

m

nZ

v

m

Z

e

dx

dE

e

e

2

2

2

2

4

2

ln

4

1

π

=

( )

eV

Z

Z

I

⎛ +

=

3

/

2

9

.

1

1

1

.

9

background image

63

Przykładowe wartości I
powietrze - 80.5 eV
wodór - 15.6
aluminium - 150
ołów - 705

po przecałkowaniu otrzymamy

R=mZ

-2

F(v

o

)

I

v

m

nZ

v

m

Z

e

dx

dE

e

e

2

2

2

2

4

2

ln

4

1

π

=

m - masa cząstki
Z - liczba atomowa cząstki
F(v

o

) - dla danego absorbenta funkcja zależna tylko

od prędkości cząstki

zasięg R

background image

64

dla E

α

- 8 MeV

R (cm)

powietrze 7.8
aluminium

0.0041

miedź

0.0018

złoto

0.0014

background image

65

Rozpad

β

β

-

: n

→ p + e

-

+

ν

e

β

+

: p

→ n + e

+

+

ν

e

WE

: p + e

-

→ n + ν

e

~

może zachodzić dla n

swobodnego

z t

1/2

10.6 min

• rozpad

β zachodzi między izobarami – zmienia się

tylko stan ładunkowy jądra

• zachodzi tylko wówczas, gdy istnieje sąsiednie jądro

o mniejszej masie

background image

66

Zależność masy w ciągu izobarów

A-nieparzyste

Istnieje tylko jeden izobar o minimalnej

wartości masy – to izobar stabilny

background image

67

Zależność masy w ciągu izobarów

A-parzyste

Istnieje tylko więcej niż jeden izobar o

minimalnej wartości masy – to izobary

stabilny

background image

68

Szukanie minimum

dla dowolnego jądra

o liczbach z i A

to

(

)

0

,

=

=const

A

Z

A

Z

m

(

)

0

2

/

2

2

1

0

3

/

1

0

=

+

+

A

A

Z

a

A

a

Z

m

m

A

C

n

p

3

/

2

3

/

1

0

015

.

0

98

.

1

2

A

A

a

A

a

a

m

m

A

Z

A

C

A

n

p

+

=

+

+

=

background image

69

Stosunki energetyczne w rozpadzie

β

e

A

Z

A

Z

e

Y

X

~

1

ν

β

+

+

⎯→

+

M(Z,A)=M(Z+1,A)+Q

Q=T

Y

+T

β

+T

ν

= M

X

- M

Y

e

A

Z

A

Z

e

Y

X

ν

β

+

+

⎯→

+

+

1

M(Z,A)=M(Z-1,A)+2m

e

+Q

Q=T

Y

+T

β

+T

ν

= M

X

– M

Y

–2m

e

e

A

Z

WE

A

Z

Y

e

X

ν

+

⎯→

+

1

M(Z,A)=M(Z-1,A)+Q

Q=T

Y

+ T

ν

= M

X

- M

Y

Warunek zajścia rozpadu – Q>0

background image

70

e

A

Z

A

Z

e

Y

X

~

1

ν

β

+

+

⎯→

+

Q>0

→ M

X

> M

Y

e

A

Z

A

Z

e

Y

X

ν

β

+

+

⎯→

+

+

1

Q>0

→ M

X

> M

Y

+ 2m

e

dla 0<_[M(Z,A)-M(Z-1,A)]<_2m

e

• możliwy tylko WE

dla [M(Z,A)-M(Z-1,A)]>_2m

e

• możliwy WE
• możliwy

β

+

background image

71

Informacje modelu kroplowego

o rozpadzie

β

dla izobarów (A=const) zachodzi

M(Z,A)=C

o

+ C

1

Z + C

2

Z

2

background image

72

• stabilny izobar leżący

najniżej tej paraboli

dla A nieparzystych

dla A parzystego

• mamy jądra parzysto-parzyste (niżej)

i nieparzysto-nieparzyste (wyżej)

• między izobarami na tej samej

paraboli nie może być przejść, gdyż
ich Z różni się o 2

background image

73

0

)

,

(

=

=const

A

Z

A

Z

m

3

/

2

3

/

2

0

1

3

/

1

0

015

.

0

98

.

1

2

0

2

2

2

A

A

a

A

a

a

m

m

A

Z

A

A

Z

a

A

a

Z

m

m

A

c

A

H

n

o

A

c

n

H

+

=

+

+

=

=

+

+

background image

74

Neutrino

• ciągłe widmo rozpadu

β

• energia emitowanych cząstek zawarta w

przedziale 0 - E

max

• rozpad nie spełniał

prawa zachowania energii

• rozpad zachodzi między izobarami (A=const)

więc spiny jąder winny zmieniać się o liczbę
całkowitą, a elektron ma spin ½

• rozpad nie spełniał

prawa zachowania spinu

background image

75

Pauli –
niezachwiane przekonanie
o słuszności praw zachowania

propozycja istnienia nowej cząstki

przejmuje część energii rozpadu

ma spin połówkowy

nie ma ładunku

słabo oddziałuje z materią

posiada swoją antycząstkę

background image

76

Doświadczalne potwierdzenie istnienia neutrina

(pośrednie – przez pomiar jądra odrzutu)

37

Ar + e

-

37

Cl +

ν

e

+ 0.8 MeV

to wynik
różnicy mas

jądro winno doznać odrzutu
by były spełnione zasady
zachowania energii i pędu

• Ar w postaci gazowej w miejscu zakreskowanym
• elektrony Augera rejestrowane w detektorze 1
• atomy Cl, które doznały odrzutu poruszają się w kierunku

detektora 3 – przebiegają odcinek 6 cm i są następnie
przyspieszane przez siatkę 2

• wielkością mierzoną jest opóźnienie czasowe między sygnałem
detektora 1 i 3

background image

77

wynik doświadczenia
+
linia przerywana – to
krzywa teoretyczna w
przypadku energii
odrzutu atomów Cl
równej 9.6 eV jaka
wynika z wartości pędu
neutrina
odpowiadającego
różnicy mas

37

Ar i

37

Cl

background image

78

Doświadczalne potwierdzenie istnienia neutrina

(bezpośrednie – doświadczenie Cowansa i Reinesa)

tu wykorzystano silny
strumień neutrin z
reaktora jądrowego

Proces

ν+ p → e

+

+ n

obserwowano w
scyntylatorze zawierającym
H z domieszką Cd

W celu jednoznacznej
identyfikacji należy
zarejestrować:
• impulsy od kwantów anihilacji
• promieniowanie wysyłane

przez Cd

background image

79

Znając strumień antyneutrin oraz wydajność scyntylatora
można wyznaczyć przekrój czynny reakcji

dla antyneutrin emitowanych podczas rozszczepienia jąder
otrzymuje się wartość

7*10

-43

cm

2

= 7*10

-19

barna

background image

80

Teoria rozpadu

β

(

Enrico Fermi

)

• rozpad

β to wynik oddziaływania między obiektami

fizycznymi całkowicie nieznanego fizyce klasycznej

• nowe oddziaływanie występuje obok grawitacyjnego,

elektromagnetycznego i silnego

• ponieważ procesy rozpadu

β mają znacznie mniejsze

prawdopodobieństwo przejścia niż procesy rządzone
przez siły jądrowe czy elektromagnetyczne,
mówimy w tym przypadku o

oddziaływaniach słabych

background image

81

Teoria rozpadu

β

(

Enrico Fermi

)

• musi dobrze opisywać przebieg widma emitowanych

elektronów –

mierzonego np. przy pomocy spektrometru magnetycznego lub detektora

półprzewodnikowego

Stwierdza się
wyraźną różnicę
kształtu widma

background image

82

Prawdopodobieństwo emisji elektronu z pędem p, p+dp

( )

o

dE

dn

i

H

f

dp

p

N

2

2

η

π

=

i

H

f

- operator przejścia między stanami i i f

fi

i

f

H

d

H

i

H

f

Ψ

Ψ

=

τ

*

- z góry nieznany, gdyż zawiera operator Hamiltona
opisujący oddziaływania słabe

o

dE

dn

- gęstość możliwych stanów końcowych

background image

83

eksperymenty pokazują, że kształt widma jest głównie
określony przez czynnik dn/dE, natomiast element
macierzowy zależy co najwyżej bardzo słabo (lub w
ogóle nie zależy) od energii.

Jak długo

jest stały – tak długo kształt

jest określony przez czynnik statystyczny.

( )

o

dE

dn

i

H

f

dp

p

N

2

2

η

π

=

fi

i

f

H

d

H

i

H

f

Ψ

Ψ

=

τ

*

background image

84

eksperymenty pokazują, że kształt widma jest głównie
określony przez czynnik dn/dE, natomiast element
macierzowy zależy co najwyżej bardzo słabo (lub w
ogóle nie zależy) od energii.

Jak długo

jest stały – tak długo kształt

jest określony przez czynnik statystyczny.

( )

o

dE

dn

i

H

f

dp

p

N

2

2

η

π

=

fi

i

f

H

d

H

i

H

f

Ψ

Ψ

=

τ

*

background image

85

zakładając, że wszystkie rozkłady energii między
elektronem i neutrino są równie prawdopodobne
otrzymuje się widmo pędów cząstek

β

( )

(

) (

)

e

e

o

fi

e

e

dE

Z

E

F

E

E

p

H

c

dE

E

N

,

2

1

2

2

2

5

7

3

=

η

π

E

o

=E

e

+E

ν

- maksymalna energia w widmie

F(E,Z) – czynnik uwzględniający oddziaływanie

kulombowskie cząstek z jądrem

Korzystając z wyprowadzonej zależności na liczbę
możliwych stanów w określonej objętości przestrzeni
fazowej i ...

background image

86

( )

(

)

(

)

e

o

if

e

e

E

E

c

H

p

Z

E

F

E

N

=

5

7

3

2

2

2

,

η

π

Istnieje pewna grupa rozpadów

β, dla

których lewa strona jest linią prostą
na wykresie

Curie

(lub Fermiego)

( )

(

)

2

,

p

Z

E

F

E

N

e

e

e

E

Szczególnie prosto jest z
takiego wykresu odczytać
maksymalną energię E

o

elektronów lub pozytonów

background image

87

Oddziaływanie cząstek

β z materią

• przechodząc przez środowisko oddziałują poprzez

pole elektrostatyczne z elektronami atomów -
wyrywają je z powłok jonizując atomy

• oddziałują więc nieelastycznie z elektronami

atomów tracąc stopniowo swoją energię

• elastyczne zderzenia z jądrami lub elektronami

• nieelastyczne zderzenia, w których elektron traci część

swojej energii na promieniowanie elektromagnetyczne,
tzw.

promieniowanie hamowania

background image

88

Wprowadzamy przekroje czynne na poszczególne
procesy

I

E

Z

b

cm

c

m

e

lecz

I

E

Z

c

m

e

jonizacja

e

e

jonizacja

2

ln

2

1

10

4

,

2

ln

8

4

2

2

24

2

2

2

4

2

2

2

2

β

σ

π

β

π

σ

=

=

⎟⎟

⎜⎜

⎟⎟

⎜⎜

=

Z – liczba atomowa absorbenta
I – średni potencjał jonizacji

[b/atom]

background image

89

o

elektr

elast

o

jadr

elast

dla

Z

dla

Z

45

,

2

90

,

4

1

4

2

4

2

>

>

ϑ

β

σ

ϑ

β

σ

[b/atom]

4

2

137

1

3

8

β

π

σ

Z

hamow

nieelast

[b/atom]

dla elektronów o energii 0.1 MeV

σ

j

σ

e-j

σ

e-e

σ

n

powietrze

1700 150

230

1.3

Pb

13700 20000 2600 170

background image

90

Absorpcja elektronów

dE/dx – zależy od energii elektronów i rodzaju absorbenta

• dla wysokich energii

3

/

1

2

/

137

Z

c

m

E

e

>>

E

L

dx

dE

1

=

( )

radiacyjna

dlugosc

L

e

E

x

E

L

x

o

=

,

/

• elektrony wysokich energii wytwarzają w materii

pęki promieniowania hamowania, z których
powstają pary e

+

e

-

background image

91

I/I

o

x

1

1/2

<R>

R

max

Dla monoenergetycznych elektronów otrzymamy

mamy empiryczne wzory określające zależności
zasięg-energia, np.

MeV

E

MeV

dla

E

R

MeV

E

dla

E

R

E

20

3

,

106

.

0

53

.

0

3

,

412

.

0

ln

0954

.

0

256

.

1

=

=

dl

a

A

l

I(x)=I

o

e

-

μx

μ - współczynnik
absorpcji

background image

92

Przemiana

γ

- to przejście ze stanu wzbudzonego

do podstawowego

Q

γ

=E

i

- E

f

= h

ν

60

27

Co

β

-

γ - 1.17 MeV

γ - 1.33 MeV

60

28

Ni

T=5.3 lat

203

80

Hg

β

-

γ - 0.28 MeV

203

81

Tl

T=47 dni

2

2

2

2

2

2

0

,

c

M

E

c

M

E

T

p

p

T

E

E

j

j

j

j

j

=

+

=

+

=

γ

γ

γ

background image

93

Oddziaływanie promieniowania

γ z materią

podstawowe procesy
• zjawisko fotoelektryczne
• zjawisko Comptona
• zjawisko tworzenia par

I(x)=I

o

e

-

μx

background image

94

Zjawisko fotoelektryczne

związany elektron

( )

ω

ω

ω

σ

η

η

η

wzrostem

ze

maleje

k

wzrostem

ze

rosnie

h

Z

c

k

h

f

,

0

.

1

5

.

3

~

,

6

.

4

0

.

4

~

=

E

e

=h

ν - E

b

wzór definiuje również
dolną energię kwantu

background image

95

Zjawisko Comptona

elektron swobodny

h

ν

θ

ϕ

ω

θ

ϕ

ω

ω

ω

ω

sin

sin

0

cos

cos

'

'

'

p

c

p

c

c

E

=

+

=

+

=

η

η

η

η

η

(

)

[

]

(

)

(

)

ϕ

α

ϕ

α

ω

ω

α

ϕ

α

ω

ω

cos

1

1

cos

1

,

cos

1

1

/

2

'

+

=

=

+

=

η

η

η

η

E

c

m

e

θ

ϕ

E

e

h

ν’

background image

96

krawędź Comptonowska

elektron swobodny

ϕ=180

ο

h

ν

h

ν’

θ=0

ο

E

background image

97

Zjawisko
tworzenia par

e-

e+

e-

e-

pn

p

n n

n

p

p

p

n n

ν

h

ν>2m

e

c

2

tworzenie pary

zachodzi w obecności jądra, gdy h

ν>2m

e

c

2

• zachodzi w obecności elektronu, gdy h

ν>4m

e

c

2

2

2 c

m

E

e

e

=

ω

η

( )

ω

σ

η

f

Z

p

1720

2

27

2

183

ln

9

28

3

/

1

=

Z

f

dla dużych energii

background image

98

Całkowity współczynnik absorpcji promieniowania

γ

(

)

p

c

f

p

c

f

t

Z

μ

μ

μ

μ

σ

σ

σ

σ

+

+

=

+

+

=


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Fizyka jadrowa
Raport 398, Fizyka jądrowa, Dozymetria
CZARNOBYL W STRONĘ POLSKI, Fizyka, Fizyka jądrowa
Fizyka Jądrow1
24 fizyka jadrowa
23 fizyka jadrowa id 30068 Nieznany
Fizyka jadrowa 12
Fizyka jądrowa arkusz poziom podstawowy
Fizyka jadrowa 11
38 fizyka jądrowa
Fizyka jądrowa
WYKLAD z fizyki atomowej i mol w3-4 2008, Fizyka, 13.Fizyka jądrowa, mat ch1
Fizyka jądrowa wzory
FIZYKA JĄDROWA
fizyka jądrowa
fizyka jądrowa, Szkoła

więcej podobnych podstron