Plan wykładu
" Świat zjawisk subatomowych: skale, wielkości i metody obserwacji,
podstawowe składniki materii i ich oddziaływania
" Jądro atomowe jako układ protonów i neutronów
Wstęp do fizyki jądrowej
" Oddziaływanie cząstek naładowanych i fotonów z materią
" Kwarki i gluony, podstawy budowy mezonów i hadronów
" Energia wiÄ…zania jader atomowych, model kroplowy
" Jądra stabilne i radioaktywne: typy promieniotwórczości
Fizyka medyczna
" Wzbudzenia jader atomowych: model powłokowy
Wykład 1  Wstęp
" Reakcje jÄ…drowe
" Narzędzia badan subatomowych: akceleratory i detektory
Kontakt: pok. 415, IVp, tel.1308
" Energetyka jÄ…drowa, medycyna jÄ…drowa i inne zastosowania
e-mail: [e-mail]
1 2
Literatura Czym będziemy się zajmować?
" Wykład per se
" E. Skrzypczak, Z. Szefliński Wstęp do fizyki jadra atomowego i cząstek
elementarnych
" A. Strzałkowski, Wstęp do fizyki jadra atomowego
" Halliday, Resnick, Walker, Podstawy Fizyki, Tom 5 Wydawnictwo Naukowe
PWN, 2003
" T. Mayer-Kuckuk, Fizyka jÄ…drowa
Femtometr
" ABC fizyki jadrowej (po angielsku)
= fermi
http://www.lbl.gov/abc
Literatura popularnonaukowa
" F.Close  Kosmiczna cebula
" Ledermann Leon & Teresi Dick, Boska cząstka: Jeśli Wszechświat jest
odpowiedziÄ…, jak brzmi pytanie?
3 4
Materia we wszechświecie
Czym będziemy się zajmować? Przedrostki
 Matrioszka
5 6
Energia jÄ…dra atomowego Zastosowania militarne
" Jądro atomowe jest w warunkach ziemskich największą
składnicą energii
" Energia jądra atomowego została wykorzystana
 do wzbogacenia ogólnego bilansu energetycznego
świata
 ale niestety również do produkcji broni jądrowej
7 8
Zastosowania pokojowe Energia jÄ…dra atomowego
Jednostką energii jest dżul
" Energia na poziomie atomowym jest mała w porównaniu z energią
1 dżula
stosuje się jednostkę energii (pozaukładową)
elektronowolt (eV)
1 eV = 1 e û0 1 V H" 1,602 176 53 × 10-19 J
1 J H" 6,241 509 47(53) × 1018 eV
Energia wybuchu bomby jądrowej jest olbrzymia w porównaniu
z energią 1 dżula
stosuje się jednostkę energii (pozaukładową)
tona TNT (tTNT)
(energia wydzielana przy wybuchu jednej tony materiału wybuchowego
TNT)
1 tona TNT = 4×109 J (4 GJ)
9 10
Gęstość energii Świat ekstremalnych sytuacji
Gęstość energii jadra atomowego jest niewyobrażalnie wielka
" gęstość ~ 1013 g/cm3
Gęstość energii mechanicznej np. sprężystej,
" temperatura 0...1012 K
zawarta w najlepszej stali jest rzędu 103 Jm-3
1000 Jm-3
" obroty ~1022 1/s
Gęstość energii wiązania wszystkich elektronów
w ciężkim atomie jest rzędu 1016 Jm-3
" natężenie pola elektrycznego
10000000000000000 Jm-3
Gęstość energii wiązania wszystkich nukleonów
1018 V/m
w ciężkim jądrze atomowym jest rzędu 1032 Jm-3
100000000000000000000000000000000 Jm-3
" ..................
11 12
Dlaczego zajmujemy siÄ™ fizykÄ…
jÄ…drowÄ…?
 Bym wreszcie poznał czym jest ta potęga, co wnętrzne siły
świata w jedno sprzęga
Faust - część pierwsza
 Das ich erkenne, was die Welt im Innersten zusammenhalt
Dlaczego jesteśmy tym światem
 So that I may perceive whatever holds the World together in its
inmost folds
zainteresowani?
Johann Wolfgang von Goethe
(1749 1832)
13 14
Zamiast wstępu ... Zamiast wstępu ...
Kiedy rad został odkryty, nikt nie wiedział, że okaże się Pewnego dnia przyszedł do mnie Geiger i powiedział:
użyteczny w szpitalach. Była to praca czysto naukowa. czy nie sądzi Pan, że młody Marsden, którego uczę
I jest to dowód, że badań naukowych nie wolno oceniać promieniotwórczości, powinien zacząć jakieś
z punktu widzenia bezpośredniej użyteczności. Naukę samodzielne badania? Też tak sądziłem, więc
trzeba oceniać ze względu na nią samą, ze względu na odrzekłem: Może pozwólmy mu sprawdzić, czy jakieś
jej piękno, a w dodatku zawsze istnieje szansa, że cząstki alfa mogą ulegać rozpraszaniu pod dużym
odkrycie naukowe takie jak rad może stać się kątem? Wynik okazał się zupełnie niespodziewany.
dobrodziejstwem ludzkości.
Ernest Rutherford
Maria Skłodowska-Curie
Wspomnienia (1936)
Vassar College, 14 maja 1921
15 16
Sir Ernest
James Chadwick
Rutherford
1891-1974
1871-1937
odkrywca
odkrywca jÄ…dra
neutronu (1932)
atomu (1911)
Nobel 1935
Nobel 1908
17 18
Zakres badań i czas  fizyka XX w Historia  fizyka jądrowa - skrót
" HEP (High Energy Physics)  fizyka wysokich
A.K. Wróblewski,
energii / fizyka czÄ…stek elementarnych 
Historia Fizyki
odpowiada na pytanie jak i z czego zbudowana
jest materia w najmniejszych skalach odległości
" PoczÄ…tek fizyki czÄ…stek elementarnych 
odkrycie elektronu ponad 100 lat temu
" następne 50 lat  badania nad promieniowaniem
kosmicznym (jedyne dostępne z
ródło
wysokoenergetycznych czÄ…stek)
" po 1950 roku  budowa akceleratorów,
produkcja nowych cząstek odsłonięcie
kwarkowej struktury materii
19 20
Historia  fizyka jądrowa - skrót Co warto zapamiętać?
21 22
1
Historia - radiochemia
n1
0
" 1896  odkrycie promieni uranowych przez Becquerela.
Maria i Piotr Curie nazywają odkrytą właściwość atomów uranu i toru  promieniotwórczością.
" 18 lipca 1898  odkrycie polonu (M. P. Curie).
" 1932 r. James Chadwick 
" 26 grudnia 1898  odkrycie radu (M. P. Curie).
" 1899  odkrycie aktynu przez A. Debierne, współpracownika M. Curie.
eksperymentalne stwierdzenie istnienia
" 1899  odkrycie radonu (E. Dorn, Niemcy).
" 1900  odkrycie toronu (E. Rutherford i R. Owens, Anglia).
neutronu (Nobel 1934 r.)
" 1905  austriacki uczony E. Schweidler dowodzi, że rozpady promieniotwórcze mają charakter statystyczny.
" Uzyskano elektrycznie obojętny pocisk
" 1900  1913  szybki rozwój prac badawczych w dziedzinie radioaktywności  odkrycie szeregów
promieniotwórczych rad A, rad B, rad C, & itd.
jądrowy, który bez najmniejszego oporu
" 1913  F. Sody i K. Fajans sformułowali regułę przesunięć promieniotwórczych. Umożliwiło to na podjęcie prób
umiejscowienia odkrytych pierwiastków promieniotwórczych w układzie okresowym.
mógł zbliżyć się do jądra atomowego by
" 1913  F. Sody wprowadził pojęcie izotopu.
w wielu wypadkach spowodować " 1932  zaproponowanie przez Heisenberga protonowo-neutronowego modelu budowy jądra atomowego.
" Odkrycie sztucznej promieniotwórczości przez Fryderyka i Joliot-Curie.
zachwianie jego budowy i wystÄ…pienie
" Prace Enrico Fermiego nad napromienianiem neutronami próbek różnych pierwiastków.
" Prace L. Meitner i O. Frisha nad rozszczepieniem uranu.
promieniotwórczości.
" K. Perrier i E. Segre  prace nad przemianami pierwiastków pod wpływem bombardowania ich protonami i
cząstkami naładowanymi (odkrycie technetu Z=43, prometu Z=61, astatu Z=85).
" 1940  pierwsze transuranowce
23 24
Od Big Bangu
do dnia
dzisiejszego&
& od dnia dzisiejszego
do Big Bangu
25
Badanie początków Przedmiot fizyki jądrowej
Wszechświata w laboratorium (i fizyki cząstek elementarnych)
Jądra atomowe  atomy pozbawione wszystkich elektronów
" Jądra trwałe
Trzeba stworzyć warunki, w mikroskali (czyli w laboratorium)
" JÄ…dra nietrwaÅ‚e (Ä…, ², Å‚)
podobne do tych, które panowały podczas Wielkiego Wybuchu
Nauka o budowie, własnościach i przemianach zachodzących w jądrze.
Składniki jąder atomowych (Nukleony)
Potrzebne warunki to:
" Neutrony n (u d d)
" Protony p (u u d) kwarki!!!
- odpowiednio wysoka temperatura,
- odpowiednia gęstość materii,
Własności dynamiczne związane z oddziaływaniami
- dostatecznie duża energia. " Oddziaływania jąder atomowych między sobą
" Oddziaływania cząstek elementarnych z jądrami atomowymi
" Oddziaływania promieniowania jądrowego z materią
Aby zapewnić takie warunki trzeba przyśpieszyć cząstki do
Oddziaływania:
bardzo dużych prędkości i zderzyć ze sobą, czyli trzeba
" Grawitacyjne
wybudować akcelerator i detektor, który będzie rejestrował wyniki
" SÅ‚abe
" Elektromagnetyczne
zderzenia.
" Silne
Np. akcelerator LHC w CERN-ie i detektory ATLAS i CMS
Unifikacja oddziaływań  szukanie wspólnego związku dla wszystkich oddziaływań
27 28
1. nośniki oddziaływań
3 grupy czÄ…stek elementarnych
" 1. nośniki oddziaływań
" 2. leptony
" 3. hadrony  bariony (cząstki ciężkie)
ele-mag
i mezony (np. piony)
silne
słabe
+ grawiton -
grawitacyjne
29 30
3. budulec hadronów
2. leptony
(proton, neutron; pion)
Oddziaływania w przyrodzie
31 32
Oddziaływania
" W przyrodzie istniejÄ… (dotychczas znane)
cztery zasadnicze typy oddziaływań:
Siłę oddziaływań określa
" 1. Oddziaływanie grawitacyjne
" 2. Oddziaływanie słabe
ilościowo stała sprzężenia
" 3. Oddziaływanie elektromagnetyczne
" 4. Oddziaływanie silne
Oddziaływania te różnią się bardzo znacznie
między sobą!
33 34
Ä… Ä…
" Intensywność danego oddziaływania charakteryzowana  W rzeczy samej był to pomysł Feynmana, aby fizycy
jest przez wielkość bezwymiarową  stałą sprzężenia wywieszali w swych domach i pracowniach znak, który
przypominałby im o tym, jak mało jeszcze wiedzą.
" Oddziaływania elektromagnetyczne:
Treścią tego znaku miało być właśnie ,137  .
stała struktury subtelnej ą
e2 1
Ä… = H"
4Ä„µ0hc 137
Fragment książki: Boska cząstka. Leon Lederman
" e  Å‚adunek elektronu (elektromagnetyzm)
" c  prędkość światła w próżni (teoria względności)
" [  zredukowana stała Plancka (mechanika kwantowa) [ = h/2Ą
" µ0  przenikalność elektryczna próżni
" Ä„ - 3,14159 26535 89793 23846 26433 83279 50288 41971 69399 37510...
" Ma ona związek z prawdopodobieństwem emisji lub absorpcji fotonu przez elektron
35 36
Obraz oddziaływań na odległość
Oddziaływanie grawitacyjne
" W fizyce klasycznej 
oddziaływania między
" Nie wyróżnia żadnej postaci materii
Å‚adunkami opisywane za
" Działa między dowolnymi ciałami posiadającymi masę
pomocą potencjałów i pól
m `" 0
wytwarzanych przez jednÄ…
cząstkę i działających na
" PrzyciÄ…gajÄ…ce
drugÄ…
" Długozasięgowe "(1/r2)
" W mechanice kwantowej 
" Niezwykle słabe <"10-39
oddziaływania między
obiektami przenosi kwant pola
" Nośnikiem pola grawitacyjnego jest grawiton G
Ani kwanty ani pole nie jest bezpośrednio
(oddziaływania przez
(MG = 0 ?)
obserwowane wielkością mierzalną
wymianę) np. łyżwiarze
ODDZIAA
YWANIE GRAWITACYJNE W PORÓWNANIU
jest jedynie siła działająca na ładunki!
rzucający do siebie piłkę
Z ODDZIAA
YWANIAMI SILNYMI WYST
PUJ
CYMI
oddalajÄ… siÄ™ od siebie
W FIZYCE J
DROWEJ MOŻNA POMIN
Ć
37 38
Oddziaływania
Oddziaływania słabe
elektromagnetyczne
= rozpad ² jÄ…der A Ò! B + e + ?
" Występują między ładunkami elektrycznymi Z1 `"0, Z2 `" 0
" Mają duży zasięg ",
" jądra atomowe emitują elektrony o ciągłym
" Oddziaływanie elektromagnetyczne opisują:
rozkładzie energii
Siły elektrostatyczne między ładunkami w spoczynku
" (wÄ…tpliwoÅ›ci, czy w rozpadzie ² speÅ‚nione jest
Siły magnetyczne między prądami wytworzonymi przez ładunki w
prawo zachowania energii)
ruchu
Zjawiska emisji i absorpcji promieniowania elektromagnetycznego
" 1930 r. W. Pauli postuluje istnienie drugiej
czÄ…stki w rozpadzie ²  neutrino ½ czyli
A Ò! B + e + ½
QED  kwantowa teoria pola elektromagnetycznego (Quantum
14
np. 14C Ò! N + e + <"½e
Electrodynamics)
" W oddziaływaniu elektromagnetycznym
W 1983 r. wykryto bozony pośredniczące Wą, Z0
czÄ…stkÄ… wymienianÄ… jest foton Å‚ (kwant pola).
(C. Rubbia, CERN)
" Masa fotonu mł = 0, wynikiem tego jest
" Oddziaływanie z wymianą bozonu:
długozasięgowy potencjał typu 1/r
n p + e + <"½e
" Jeden elektron może emitować foton,
który następnie zostaje pochłonięty przez drugi elektron
39 40
GRAWITA- ELEKTRO- SA
ABE SILNE
Oddziaływania silne
CYJNE MAGNETYCZNE
NOÅšNIK GRAWITON FOTON (Å‚) BOZONY MEZONY GLUONY
POLA (G) (WÄ…, Zo) (piony: Ä„Ä…, Ä„o)
= jądrowe. W przeciwieństwie do oddziaływań grawitacyjnych i
CZ
STKA
elektromagnetycznych sÄ… bardzo skomplikowane!
WYMIANY
" QCD Chromodynamika Kwantowa (Quantum Chromodynamics)
ZASI
G " (r-2) " (r-2) <<10-14 cm 10-14 - 10-13 cm rozmiary p, n
" W obrazie kwantowej teorii pola czÄ…stkÄ… wymiany jest pion: Ä„Ä…, Ä„o
CZ
STKI wszystkie m`"0 wszystkie Z `" 0 hadrony p, n, Ä„Ä…, hadrony p, n, Kwarki
(mezonowa teoria sił jądrowych)
Ä„o
, leptony: e, ½e, mezony Ä„Ä…, Ä„o u, d, s,
µ, ½ , Ä, ½Ä c, b, t
" Bardzo maÅ‚y zasiÄ™g <" 10-13 cm µ
SIA
A 10-38 10-2, 1/137 (0.01) 10-14 11
" Stała opisująca wielkość oddziaływań silnych <" 1
PRZYKA
AD ciążenie, ruchy atom promieniowanie siły jądrowe cząstki
" Mezonowa teoria sił jądrowych oparta jest na analogii do elektrodynamiki
planet ² jÄ…der elementarne
kwantowej (wymiana fotonu ł)  tu: wymiana pionów między nukleonami
MASA 0 0 W (80.22 GeV) Ä„o (134.976 0
CZ
STKI Z (91.19 GeV) MeV) Ä„Ä…
WYMIENIA (139.569 MeV)
NEJ
41 42
Promieniowanie
" Strumień energii emitowanej przez układ materialny w postaci fal lub
czÄ…stek.
" Promieniowanie dzieli siÄ™ na dwie grupy: jonizujÄ…ce
i niejonizujące. Do tej drugiej możemy zaliczać promieniowanie
Przemiany zachodzÄ…ce w jÄ…drze
radiowe, mikrofalowe, podczerwone a także światło widzialne.
Promieniowanie jonizujÄ…ce to promieniowanie elektromagnetyczne
jÄ…dra nietrwaÅ‚e (Ä…, ², Å‚)
(np. rentgenowskie lub gamma) oraz promieniowanie korpuskularne
(np. promieniowanie Ä… i ²) zdolne do wywoÅ‚ania jonizacji
w substancji, przez którą przechodzi.
" Promieniowanie jonizujÄ…ce jest wynikiem przemian jÄ…drowych,
a więc zmiany w układzie nukleonów w jądrze, której to zmianie
towarzyszy zmiana układu energii. Nie każdy izotop jest zdolny do
takich przemian. TakÄ… cechÄ™ posiadajÄ… jedynie izotopy,
o nieodpowiedniej liczbie neutronów w jądrze.
43 44
Najczęściej spotykane rodzaje rodzaje promieniowania
promieniowania jonizujÄ…cego: jonizujÄ…cego cd.
" Promieniowanie Ä…  polega na emisji
" Promieniowanie ²  polega na emisji
przez jÄ…dro atomowe czÄ…stek Ä…
cząstek z jądra atomowego  elektronów
(składających się z 2 protonów i 2
lub pozytonów. Zdolność czÄ…stek ² do
neutronów). Cząstki te charakteryzują się
jonizacji jest mniejsza niż cząstek ą.
dużą zdolnością jonizacji, co powoduje
znaczący wpływ na żywy organizm.
Zasięg promieni ą jest mały np.:
w powietrzu do kilku centymetrów.
45 46
rodzaje promieniowania rodzaje promieniowania
jonizujÄ…cego cd.
jonizujÄ…cego cd.
" Promieniowanie Å‚  jest emitowanie
" Promieniowanie rentgenowskie (X)  to
przez wzbudzone jÄ…dro atomu podczas
promieniowanie elektromagnetyczne o małej
dÅ‚ugoÅ›ci fali (od 20 do 0,05 Å)
zmiany stanu energetycznego. Długość
(wysokoenergetyczne fotony).
fali promieniowania Å‚ wynosi od 1,0 do
Powstaje w lampach rentgenowskich przez
0,01 Å (1 Å angstrem = 10-8 cm).
bombardowanie tarczy metalowej (antykatody)
Jest to najbardziej przenikliwy rodzaj
strumieniem prędkich elektronów,
promieniowania jądrowego, chociaż jego
przyspieszonych w polu elektrycznym
właściwości jonizujące są najmniejsze.
o odpowiedniej różnicy potencjałów (rzędu 200
kV).
47 48
rodzaje promieniowania rodzaje promieniowania
jonizujÄ…cego cd. jonizujÄ…cego cd.
" Promieniowanie neutronowe  neutrony emitowane
" Promieniowanie rentgenowskie (X)
przez niestabilne jądra, szczególnie podczas
- Promieniowanie to nie pochodzi z jÄ…dra lecz ze
rozszczepienia jÄ…dra lub fuzji jÄ…drowej.
wzbudzonych atomów metalu.
" Oprócz promieniowania kosmicznego neutrony są
- Ze względu na charakter jego powstania nie ma zwykle produkowane w sposób sztuczny.
mowy o okresie połowicznego zaniku T1/2. Def. " Są to cząstki pozbawione ładunku elektrycznego więc
mogą być bardzo przenikliwe. Podczas zderzenia z
- Po wyłączeniu wiązki bombardującej tarczę
materiÄ… powodujÄ… emisjÄ™ promieniowania ² lub Å‚.
promieniowanie X zanika.
49 50