Atomfizika. Az atommag szerkezete. Radioaktivitás Biofizika, Nyitrai Miklós

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Atomfizika. Az atommag szerkezete. Radioaktivitás Biofizika, Nyitrai Miklós"

Zalán Vass
5 évvel ezelőtt
Látták:

1 Atomfizika. Az atommag szerkezete. Radioaktivitás Biofizika, Nyitrai Miklós

2 Összefoglalás Atommag alkotói, szerkezete; Erős vagy magkölcsönhatás; Tömegdefektus.

3 A kölcsönhatások világképe

4 Magerő -Erős kölcsönhatás nukleon kötési energiája Az elektromos taszítást kompenzálja. nagy intenzitású (erős) rövid hatótávolságú (10-15 m) mindig (!) vonzó erőhatás elektromos töltéstől független a neutronokra is hat, sőt! p-p, p-n, n-n között egyenlő nagyságú erő alakul ki!

5 Kölcsönhatások és tulajdonságaik kölcsönhatás m 0 töltés Mire hat? Relatív erősség ható táv (m) erős 0 színtöltés (r,g,b) proton, neutron elektromágneses 0 elektromos töltés elektromosan töltött részecskékre gravitáció 0 tömeg mindenre (anyag) 1

6 M a g m o d e l l e k

7 Nukleonszám növekedés hatásai Növekszik: nukleonszám tömeg (-szám: A) atom sugár 1 r ~ A 3 ; A = N + Z atom térfogat V ~ r 3 ~ A atom felszíne felület ~ r ~ A A folyadékcseppeknél tapasztalt jelenségekkel azonos hatások! E B 0 Nem lineáris! A

8 Modellek, rajzfilmek

9 1. Folyadékcsepp modell Liquid drop model (LDM) Összenyomhatatlan, folyékony atommag Bohr: az atommag sok tulajdonsága, különösen a nehéz atommagoknál, egy folyadékcseppre emlékeztet. 1. A magban minden nukleon nagyjából azonos energiával kötött. (E B neutron = E B proton!) 2. A mag teljes kötési energiája arányos a nukleonok számával (A). 3. Az atommag térfogata arányos a nukleonszámmal. Hofstaedter 4. Ebből következik, hogy az atommag sűrűsége minden atommagra mindig ugyanakkora.

Megmagyarázza: kötési energiát, tömeget, atommag stabilitását.

10 Folyadékcsepp modell (LDM) 5. méretfüggetlen sűrűség összenyomhatatlan, 6. gömb alak, 7. a nukleon csak a szomszédos részecskékkel hat kölcsön. Makroszkópikus tulajdonságokon alapul (kísérletek). Megmagyarázza: kötési energiát, tömeget, atommag stabilitását. Modell (1935): Carl von Weizsäcker készítette Hans Bethe számításai alapján. E K 2 3 ( ) 2 A 2Z 3 2 Z = α A + β A + γ + δ + η A 1 A 3 A 2 ez meg mit jelent???

11 E K = E térfogati + E felületi + E Coulomb + E Pauli + E anti Hund! A kötési energia a folyadékcsepp-modell szerint többféle energiából áll össze. Klasszikus fizika alapján magyarázható energiatagok: A magban lévő nukleonok a szomszéd nukleonok erőterében mozognak: térfogati energia A felületen lévőknek kevesebb a szomszédja felületi energia Protonok elektromos töltése elektrosztatikus energia tag Coulomb-energia

12 A többi tagot a kvantummechanika adja: Pauli-energia (fermionok, Pauli-elv) A p + és n 0 feles spinű részecskék, mint az e -. E p E n Pauli elv: Azonos kvantumszámú állapotok nem lehetségesek. anti-hund energia Anti-Hund szabály: Azonos típusú, de ellentétes spinű nukleonok szeretnek egy energiaszintre kerülni. Az α, β, γ, δ, η paraméterek kísérletesen határozhatók meg félempirikus formula!

13 Egy nukleon kötési energiája a rendszám függvényében Nukleononkénti kötési energia (MeV) A felületi és térfogati energiák aránya változik! (r 2 /r 3 = 1/r) A Coulomb erő hatása növekszik! Rendszám (atomi tömegegység) Maximum: között! A modell: 62-t jósol! Az illesztés majdnem tökéletes! De...!

14 Nukleononkénti kötési energia (MeV) Mire nem használható az LDM? Finomszerkezet eltér a könnyű és a mágikus számú atomoknál: N vagy Z = 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 Ezeknél a kötésenergia az LDM által jósoltnál nagyobb! Az elektronfelhőnél is vannak hasonló mágikus számok: A nemesgázok stabilabb elektronszerkezetűek! Rendszám (atomi tömegegység) Ok: Ezek az atomok lezárt (telített) nukleonhéjakat tartalmaznak. Ez a jelenség nincs benne az LDM-ben! Akkor most mit tehetünk? Van-e jobb modell?

15 2. Atomhéj modell (gömbszimmetrikus) Atomic shell model (ASM) Az atomhéj modell az atom mikroszkópikus tulajdonságain (energia szintek) alapul. Az atommag bizonyos tulajdonságai periodicitást mutat. A kvantummechanika (QM) képes az elektronok elektronpályákon való viselkedését leírni Képes-e a QM a nukleonok viselkedését leírni? Elektronhéj atomhéj analógia!

16 Atomhéj modell (ASM) Bartlet, Elsasser, 1934: független részecske modell Jensen és Göppert-Mayer, 1949: héjmodell Az összes nukleon közös erőteret hoz létre, melyben a nukleonok egymástól függetlenül mozoghatnak. A nukleonra felírt Schrödinger egyenlet megoldása kvantált paraméterekkel: energia, perdület, mágneses momentum, spin kvantumszámok: atomhéjakat jellemzi (a spin csak ½ lehet, Pauli-elv érvényes) A zárt atomhéjakkal rendelkező atomok stabilabbak!

17 ASM E p E n 0 ev 1 1H hidrogén x y z x y z 2 1H deutérium 3 1 H tricium 4 2 He hélium O oxigén 16 8 legalacsonyabb energiaszint Ez az elmélet megmagyarázza az első három (2,8,20) mágikus számot! De! Számos kísérletes eredményt nem igazol!

18 Radioaktivitás Sugárzások Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

α ködkamra β Geiger Müller számláló γ Szcintillációs

19 Radioaktivitás Milyen detektorokkal lehet az egyes radioaktív részecskéket detektálni? α ködkamra β Geiger Müller számláló γ Szcintillációs detektor Miért van szükség ennyiféle detektorra? Eltérő az anyaggal való kölcsönhatásuk mértéke.

20 A radioaktív sugárzás elleni védekezés 3 pontja Minimalizált kitettségi idő Maximalizált távolság Védőanyagok használata

21 Az atommag instabilitása A radioaktivitás alapja

22 Atomhéj modell 1 1H hidrogén 2 1H deutérium 3 1 H tricium 4 2 He hélium O oxigén 16 8 E p E n 0 ev legalacsonyabb energiaszint

23 Egy nukleon kötési energiája a rendszám függvényében Nukleononkénti kötési energia (MeV) Fe Rendszám (atomi tömegegység)

24 Általános törvényszerűségek β - -bomlás N=Z maghasadás Neutron - proton arány növekszik ~1,5! neutronok fúzió β + -bomlás protonok Az atommagok a legstabilabb szerkezetre törekednek! 56 26Fe Vas-völgy

csiro.au/education/senior/cosmicengine/sun_nuclear.

25 Stabilitás elérésének módjai Maghasadás magfúzió Atomreaktor, atombomba csillagok

A Z A Z α-bomlás» α-sugárzás A Z 4 X X + 2 X A Z 4 2 X 4 2 +α He 226 222 88 Ra 86Rn+ 4 α 2 Kilépési sebességük

26 A Z A Z α-bomlás» α-sugárzás A Z 4 X X + 2 X A Z 4 2 X 4 2 +α He Ra 86Rn+ 4 α 2 Kilépési sebességük elérheti a m/s-ot (0,05 c) Vonalas spektrum (karakterisztikus) U, 95Am, 88Ra, 86Rn, Po

β-bomlás» β-sugárzás Negatív β-bomlás Kísérlet: Curie 1911 Elmélet: Enrico Fermi, 1934 0 + n p + e + ν e A Z X A Z +1 X + e +

27 β-bomlás» β-sugárzás Negatív β-bomlás Kísérlet: Curie 1911 Elmélet: Enrico Fermi, n p + e + ν e A Z X A Z +1 X + e + ν e Cs Ba + e + 56 ν e Kilépési sebességük elérheti a m/s-ot (0,6 c) Folytonos spektrum (antineutrino)

β-bomlás» β-sugárzás Pozitív β-bomlás + 0 + p n + e + ν e A Z X A Z 1 X + e + + ν e 22 11 22 + Na

28 β-bomlás» β-sugárzás Pozitív β-bomlás p n + e + ν e A Z X A Z 1 X + e + + ν e Na Ne + e + 10 ν e β - izotópok β + izotópok H, 6C, 55Cs, 53I, C 22 Na 11 6, K

29 γ-sugárzás Kísérőjelenség! Elektromágneses sugárzás (γ-foton) f>10 19 Hz, illetve E>100 kev a gerjesztett atommagok alacsonyabb energiaállapotba történő átmenetekor keletkezik Fénysebességgel terjednek Vonalas spektrum (karakterisztikus) Ba Ba + γ 137m m: metastabil állapot Na, 19K, 55Cs, I

Hasonló dokumentumok

Atomfizika. Az atommag szerkezete. Radioaktivitás Biofizika, Nyitrai Miklós

Atomfizika. Az atommag szerkezete. Radioaktivitás. 2010. 10. 12. Biofizika, Nyitrai Miklós Miért hiszi mindenki azt, hogy az atomfizika egyszerű, szép és szerethető? A korábbiakban tárgyaltuk Az atom szerkezete