plik


ÿþWstp do fizyki jdrowej Energia wizania Fizyka medyczna WykBad 5  energia wizania, modele jdrowe, prawo rozpadu promieniotwórczego Kontakt: pok. 415, IVp, tel.1308 1 2 e-mail: beata.kozlowska@us.edu.pl Energia wizania jdra Energia wizania jdra Bj = (Z·mp + N·mn - mj(A,Z))c2 "M = mj(A,Z) - Z·mp - N·mn Bj = -"M Bj > 0 Krzywa osiga maksimum 8.7 MeV w pobli|u A = 60. Spadek dla malejcych A nie jest monotoniczny, lecz wykazuje ostre maksimum dla liczb masowych bdcych wielokrotno[ciami 4 (4, 12, 16, ....). Bj jdra  energia spoczynkowa defektu masy Wzrosty energii wizania wystpuj dla magicznych liczbach nukleonów: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, 152 3 4 (Z lub N). Energia wizania jdra - wnioski Energia wizania jdra - wnioski " PoB-empiryczna formuBa ’! wyja[nienie na podstawie kroplowego modelu jdra " B/A > 0 w jdrze s oddziaBywania silne, które przewy|szaj oddziaBywania elektromagnetyczne (kulombowskie) pomidzy protonami, Energia wizania nukleonów w jdrze atomowym opisana jest przez " SiBy jdrowe s przycigajce i kompensuj odpychanie protonów midzy sob, nastpujce skBadniki: " B/A ro[nie i osiga maksimum dla A~ 60, maleje dla jder ci|szych (wzrost ”' czBon objto[ciowy (liniowa zale|no[ energii od liczby masowej), znaczenia odpychania kulombowskiego; wysycanie si siB jdrowych  nukleony ”' czBon powierzchniowy (zale|no[ od powierzchni jdra), oddziaBuj jedynie z ssiadami, ”' czBon kulombowski (uwzgldniajcy odpychanie si kulombowskie protonów), " Nieregularno[ci  lokalne, niewielkie maksima; ”' czBon symetryczny (zanikajcy przy równej liczbie protonów i neutronów), liczby magiczne ’! model powBokowy jdra atomowego ”' czBon Bczenia w pary (uwzgldniajcy tendencj do tworzenia si par nukleonów). liczby magiczne: du|a energia wizania dla jder o Z lub N: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 4 8 12 20 40 He2 Be4 C6 Ne10 Ca20 2 4 6 10 20 W obszarze jder lekkich szczególnie du| B maj jdra o jednakowej liczbie protonów i neutronów (Z=N) tzw. jdra alfowe. 5 6 PóBempiryczny wzór na mas Energia wizania jdra - wnioski jdra " Wykorzystywany do analizy warto[ci mas i energii wizania dowolnych jder (prócz najl|ejszych!) Produkcja energii: " Przybli|one oszacowanie ilo[ci energii wydzielanej w procesie rozszczepienia ci|kiego jdra na dwa jdra [rednio ci|kie. synteza lekkich pierwiastków, rozszczepienie " Stan pocztkowy  jdro M(Z,A) ci|kich " Stan koDcowy  dwa jdra (dla wygody o jednakowych masach) pierwiastków. M(Z/2, A/2). " Z rysunku  [rednia energia B/A dla A H" 200: B(Z,A)/A H" 7 MeV => B(Z,A) = 7 MeV Å"A " Dla produktów rozszczepienia: B(Z/2,A/2)/(A/2) H" 8.5 MeV => 2 Å"B(Z/2,A/2) = 2 Å"8.5 MeV Å"A/2 W ka|dym akcie rozszczepienie uwalnia si energia Q = (8.5 MeV/nukl.)(2 jdra)(120 nukl.)  (7.6 MeV/nukl.)(240 nukl.) H" 200 MeV. 7 8 Uwalniana energia wynosi ok. 200 MeV. Modele jdra atomowego 9 10 Model kroplowy 11 12 Model kroplowy Model kroplowy Analogia do kropli cieczy " Model zaproponowany przez G. Gamowa i opracowany przez N. Bohra i J. A. " Energia wizania nukleonów w jdrze atomowym opisana jest przez Wheelera. Stosuje si go w przypadku jder ci|kich, które tworzy okoBo 100 lub nastpujce skBadniki: wicej nukleonów " ”' czBon objto[ciowy (liniowa zale|no[ energii od liczby masowej), " OddziaBywania pomidzy czsteczkami cieczy ograniczaj si do najbli|szych " ”' czBon powierzchniowy (zale|no[ od powierzchni jdra), ssiadów  podobnie jest w jdrze; Gste upakowanie kropli cieczy i jdra " ”' czBon kulombowski (uwzgldniajcy odpychanie si kulombowskie protonów), " Jdro i kropla mog ulega deformacjom (zachowanie ksztaBtu zapewnia napicie " ”' czBon symetryczny (zanikajcy przy równej liczbie protonów i neutronów), powierzchniowe) " ”' czBon Bczenia w pary (uwzgldniajcy tendencj do tworzenia si par nukleonów). " W jdrze trzeba uwzgldni odpychanie kulombowskie " Model ten nie zajmuje si indywidualnymi nukleonami, natomiast rozwa|a jdro jako kropl pBynu kwantowego, podlegajcego rozmaitym drganiom i obrotom. " WBasno[ci jdra s wyra|one przez takie cechy, jak gsto[ i napicie powierzchniowe cieczy, oraz przez rozkBad Badunku elektrycznego wewntrz niego. " Model ten zawodzi jednak zupeBnie przy przewidywaniu poziomów jdrowych oraz wyja[nieniu obserwowanych do[wiadczalnie magicznych liczb jdrowych. 13 14 Model kroplowy Model kroplowy Wzór na mas jdra w modelu kroplowym: gdzie: av = 15.85 MeV, czBon objto[ciowy, przyciganie si nukleonów, as = 18.34 MeV, czBon powierzchniowy, nukleony na powierzchni jdra maj mniej  partnerów do przycigania, ac = 0.71 MeV, czBon kulombowski, energia potencjalna kuli o Badunku Z i promieniu R ~ A1/3, aa = 23.22 MeV, czBon asymetrii (znika dla N=Z), oddaje [cie|k stabilno[ci, a´  czBon odzwierciedlajcy: du| stabilno[ jder parzysto-parzystych (a´ = 11.46 MeV), mniejsz jder nieparzysto-parzystych (parzysto-nieparzystych) (´ = 0) i maB jder nieparzysto-nieparzystych (a´ = - 11.46 MeV) Model kroplowy jest modelem klasycznym. Znajdowanie parametrów przez dopasowanie do zmierzonych warto[ci mas jder atomowych. Opisuje jedynie stany podstawowe jader stabilnych. 15 16 Model kroplowy Nie wyja[nia: zjawisk, w których przejawiaj si kwantowe cechy jder: " widm jder wzbudzonych " istnienia spinów jdrowych Model powBokowy " momentów magnetycznych " Model ten zawodzi zupeBnie przy przewidywaniu poziomów jdrowych oraz wyja[nieniu obserwowanych do[wiadczalnie magicznych liczb jdrowych. 17 18 Model powBokowy " Podstawy eksperymentalne " ’! Model struktury jdra Energie kwantów ³ (rozpad ³ wzbudzonych jder) s dyskretne ’! przej[cie pomidzy poziomami energetycznymi, analogia z modelem atomu. Niewielkie maksima w krzywej B/A dla pewnych (magicznych!) liczb protonów i neutronów: " N = 2, 8, 20, 50, 82, 126 (liczby magiczne dla neutronów), " Z = 2, 8, 20, 50, 82 (liczby magiczne dla protonów), " ’! Jdra magiczne: jdra z magicznym N lub Z. " ’! Jdra podwójnie magiczne: jdra z magicznym N i Z. 19 20 Model powBokowy Model powBokowy Podstawy eksperymentalne, cd. Niewielkie maksima w krzywej B/A dla pewnych (magicznych!) liczb Energia separacji protonu/neutronu wykazuje wyrazne maksima dla protonow i neutronow:  magicznych warto[ci Z i N. Sp = mp + M (Z -1, A -1) - M (Z, A) Sn = mn + M( Z ,A -1) - M( Z ,A ) Pierwiastki z N lub Z magicznym maj wicej izotopów ni| inne. Pierwiastki o Z magicznym wystpuj w przyrodzie w wikszej ilo[ci ni| inne (abundancja pierwiastków) Ró|nica pomidzy mas jdra wyznaczon w pomiarach a warto[ci otrzyman z modelu kroplowego jdra (minima wskazuj na szczególnie 21 22 du| energi wizania dla jder magicznych). Model powBokowy Model powBokowy Energia separacji elektronów: Energie separacji neutronów Sn(A,Z) w funkcji liczby neutronów N (lokalne maksima wystpuj dla jder magicznych) Ró|nica midzy zmierzonymi warto[ciami energii separacji neutronów i warto[ciami obliczonymi z póBempirycznego wzoru na mas jder 23 24 Model powBokowy Model powBokowy Pierwiastki z N lub Z magicznym maj wicej izotonów (i izotopów) ni| Czsto[ wystpowania nuklidów ’! pierwiastki o Z magicznym inne. wystpuj w przyrodzie w wikszej ilo[ci ni| inne (abundancja pierwiastków) Liczba stabilnych izotonów (jdra o tej samej liczbie neutronów N) w funkcji N (maksima dla jder magicznych) 25 26 Model powBokowy Model powBokowy Zale|no[ci energii separacji dla elektronów i nukleonów wykazuj ostre Trudno[ci w porównaniu z opisem atomów: maksima dla wyró|nionych liczb elektronów czy nukleonów. Równanie Schrödingera: 1. Atom: jdro + elektron Jdro: nukleony s równowa|ne 2m "¨ + ( E -V )¨ = 0 h2 2. PotencjaB pola elektrycznego w jakim porusza si elektron jest znany ¨ funkcja falowa elektronu o energii E poruszajcego si w polu z elektrodynamiki. potencjaBu V. Posta potencjaBu V jdrowego nieznana. PotencjaB V, w którym znajduje si elektron  pochodzi od obiektów 3. Elektron w atomie porusza si w przybli|eniu po trajektorii. naBadowanych w atomie, gB. jdra o Badunku (+Ze). Nukleony w jdrze s gsto upakowane i nie da si wyró|ni trajektorii. 27 28 Model powBokowy Model powBokowy PotencjaB u[redniony i poziomy energetyczne " Nukleon porusza si w u[rednionym (efektywnym) potencjale (jest to  problem wielu ciaB !) oddziaBywania pochodzcym od pozostaBych nukleonów jdra " U[redniony na wszystkie oddziaBywania statyczny i sferycznie symetryczny potencjaB " PotencjaB u[redniony: gdzie: Vn(r)  potencjaB jdrowy (zwykle jest to potencjaB zawierajcy parametry, które s otrzymywane z dopasowania modelu do danych eksperymentalnych), Vc(r)  potencjaB kulombowski (poza jdrem potencjaB Badunków punktowych, wewntrz jdra potencjaB jednorodnie naBadowanej kuli), Vsl(r)  potencjaB oddziaBywania spin-orbita (oddziaBywanie pomidzy spinem nukleonu a jego orbitalnym momentem pdu) 29 30 Model powBokowy  przykBady Model powBokowy potencjaBów 31 32 Model kolektywny Model kolektywny Model kroplowy i powBokowy zakBadaj sferyczn symetri rozkBadu masy i Badunku w jdrze. ZaBo|enie to jest poprawne tylko dla jder magicznych PozostaBe jdra odchylaj si mniej lub wicej od symetrii sferycznej w kierunku formy elipsoidalej. RozkBad Badunku w jdrze zdeformowanym prowadzi do powstania multipoli Model kolektywny elektrycznych: dipoli, kwadrupoli, etc. Deformacja jder jest spowodowana kolektywnymi ruchami nukleonów, które mog mie charakter oscylacji lub rotacji ’! jdra mog np. oscylowa midzy wydBu|on i spBaszczon form elipsoidy oraz ’! rotowa wokóB wBasnej osi ’! ruchy te mog by ze sob sprz|one Model pozwala na obliczenie poziomów rotacyjnych i oscylacyjnych w schematach stanów energetycznych ró|nych jder Zaproponowany w 1953 przez A. Bohra i B. Mottelsona. 33 34 Prawo rozpadu promieniotwórczego " Rozpad promieniotwórczy jdra atomowego nie zale|y ani od jego wieku, ani od czynników zewntrznych (np. temperatury czy ci[nienia). Ka|de jdro atomowe danego pierwiastka promieniotwórczego rozpada si z takim samym prawdopodobieDstwem. Rozpad promieniotwórczy jest procesem statystycznym. Prawo rozpadu Liczba rozpadów promieniotwórczych dN(t) zachodzca w czasie dt jest okre[lona przez liczb jder promieniotwórczych N(t) w chwili t: promieniotwórczego dN(t) - dN(t) = »N(t)dt - = »N(t) dt N t dN = -» dt +" +" N0 N t0 ln N - ln N0 = -»(t - t0) 35 36 Czas poBowicznego zaniku N ln = -»t Z rozwizania równania uzyskuje si prawo, N0 zgodnie z którym zmienia si liczba jder Zredni czas |ycia promieniotwórczych wraz z upBywem czasu, N ’! suma okresów |ycia poszczególnych czyli prawo rozpadu promieniotwórczego: = e-»t atomów, podzielona przez ich liczb N0 pocztkow N = N0e-»t Czsto wielko[ci bardziej interesujc ni| Jednostki aktywno[ci promieniotwórczej liczba jder w próbce N jest szybko[ rozpadu jder A (aktywno[ próbki): " SI: 1Bq (1 Bequerel) = 1 rozpad / 1 sekund (1Bq = 1s-1) dN A = - = »N0e- »t = »N " CGS: 1Ci (1 kiur) = 3.7·1010 rozpadów / dt sekund (aktywno[ jednego grama czystego radu) A = A0e- »t 37 38 39 40 41 42

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Wykład6 wstepIImed 2012
Wykład4 wstepIImed 2012
Wykład3 wstepIImed 2012
Wykład1 wstepIImed 2012 (2)
Wykład7 wstepIImed 2012
Wykład2 wstepIImed 2012
wyklad 14 2012
wykład żywienie 2012
Komunikacja interpersonalna wykład 8 11 2012
Geo fiz wykład 7 11 2012
Wykłady POEK 2012
1 wykład Politechnika 2012 [tryb zgodności]
1 wykład Politechnika 2012 [tryb zgodności]

więcej podobnych podstron