§ § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §5. Radioaktivita §5. 10. Využití radioaktivity a fyziologické účinky § § §l) fyziologické účinky jaderného záření nuke-home-blast § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §5. Radioaktivita §5. 10. Využití radioaktivity a fyziologické účinky § § §l) fyziologické účinky jaderného záření [ photograph ] XX-27 Charlie Test trinity.jpg (10564 bytes) Nuclear bomb nuketestsm § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §5. Radioaktivita §5. 10. Využití radioaktivity a fyziologické účinky § § §l) fyziologické účinky jaderného záření §Vysoké dávky nad 30 Sv poškodí centrální nervový systém tak, že smrt nastává nevyhnutelně během hodin nebo několika dnů. Mezi příznaky patří nevolnost, prudké zvracení, dezorientace, kóma. § §Nižší dávky od 10 do 30 Sv způsobí těžká poškození vnitřních orgánů, zejména trávícího ústrojí. V prvních hodinách následuje nevolnost a zvracení. Pak se uvnitř zažívacího traktu objeví vředy, doprovázené ztrátou tekutin a infekcemi. Smrt nastává během několika týdnů, většinou kvůli neschopnosti poškozených buněk vystýlky střeva vytvořit dělením novou generaci. § §Dávky mezi 1 a 10 Sv vyvolají zpočátku nevolnosti a zvracení. Poté následuje období, kdy se pacientu uleví. Polovina nemocných však nakonec umírá na vážné poškození buněk v kostní dřeni, které zásobují organismus krví. Chromoz §dávka = energie pohlcená organismem, jednotkou 1 gray: 1 Gy = 1 J/kg §ekvivalentní dávka = přepočítaná podle účinnosti typu záření, jednotka sievert: Sv § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §5. Radioaktivita §5. 10. Využití radioaktivity a fyziologické účinky § § §l) fyziologické účinky jaderného záření §obvyklá roční dávka z okolní přírody (z toho bývá asi 20% od stavebních materiálů, zvláště radon; více "zespoda", například od skalního podloží, méně "shora" od kosmického záření - asi 0,25 mSv na hladině moře, §1.5 mSv ve 4000 m, do toho patří vnitřní ozáření od zářičů, které sníme nebo vdechneme - něco přes 1 mSv) §0,4 - 4 mSv §(ale i 50 mSv) §let dopravním letadlem (za letovou hodinu) §0,004 mSv §roční příspěvek jaderné elektrárny na okolí §< 0.02 mSv §roční příspěvek uhelné tepelné elektrárny na okolí §< 0.06 mSv §jeden rentgenový snímek plic §< 0.03 mSv §kontrastní vyšetření žaludku nebo střev §0.1 - 30 mSv §dovolená roční dávka pro pracovníky se zářením §50 mSv §mírnější projevy nemoci z ozáření (projevy na kůži, padání vlasů, ztráta imunity) §500 mSv §smrtelná dávka (jednorázově) §několik Sv § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §6. Interakce jaderného záření s hmotou, detektory §6. 1. Základní pojmy § §záření §radioaktivní §jaderné (+ neutrony) §ionizující (oba předchozí typy + rentgenové + ultrafialové) §skupiny částic se specifickými interakcemi §nabité částice §fotony gama §neutrony §dělení interakcí §pružné §nepružné §s jádrem §s elektronovým obalem §Dolet: přímá vzdálenost, kterou urazí částice v daném materiálu do doby, ve které klesne energie částice na úroveň střední kinetické energie molekul látky ~ . § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §6. Interakce jaderného záření s hmotou, detektory §6. 2. Interakce záření α § §Téměř 100 % energie ztrácejí alfa částice ionizací. Jsou to nepružné srážky s elektronovým obalem. K vytvoření jednoho iontového páru ve vzduchu spotřebuje alfa částice průměrně energii 32,6 eV. §Alfa částice s energií 5 MeV vytvoří proto ve vzduchu 150 000 iontových párů. §Šíří se přímočaře (s výjimkou Rutherfordova rozptylu), hmotnost elektronu je příliš malá na to aby se při ionizaci změnil směr. E80front FG26_00_01UN § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §6. Interakce jaderného záření s hmotou, detektory §6. 2. Interakce záření α § §absorpční křivka §x §N §vliv fluktuací §N – počet částic, které proletí materiálem tloušťky x §dolet bragg §Braggova křivka § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §6. Interakce jaderného záření s hmotou, detektory §6. 3. Interakce záření β § · ionizace – podstatně menší než u částic α · pružné srážky s elektronovým obalem · pružné srážky s jádry · brzdné záření – vzniká zpomalováním nabitých částic; ztráta energie je přímo úměrná proto je nepřímo úměrná , u α částic je proto brzdné záření zanedbatelné; je to záření gama a rentgenové · Čerenkovovo záření – provází částici β, která se v optickém prostředí pohybuje rychleji než světlo S2_Image2 GreyLag4 § § § § § Zpětný rozptyl částic beta §Částice beta při průletu hmotou § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §6. Interakce jaderného záření s hmotou, detektory §6. 3. Interakce záření β § §x §N §N – počet částic, které proletí materiálem tloušťky x §dolet §způsobeno brzdným zářením §způsobeno různými energiemi a křivočarou trajektorií § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §6. Interakce jaderného záření s hmotou, detektory §6. 4. Interakce záření γ § §b) Comptonův rozptyl – pružná srážka s elektronovým obalem (kapitola 1. 3. 3) §fotoefekt §Comptonův rozptyl §tvorba párů §a) fotoefekt – nepružná srážka s elektronovým obalem, ionizace probíhá hlavně z vnitřních slupek Þ je doprovázeno rentgenovým zářením, probíhá hlavně při malých energiích §výstupní práce je zanedbatelná §c) tvorba párů – probíhá pouze u fotonů, pro které §k interakci dochází v silném elektrickém poli jádra nebo silně vázaného elektronu [USEMAP] §tvorba §páru 1 [USEMAP] §tvorba §páru 2 § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §6. Interakce jaderného záření s hmotou, detektory §6. 4. Interakce záření γ § §E §W §závislost pravděpodobnosti jednotlivých interakcí na energii γ: §pro intenzitu paprsku monochromatického záření γ, které projde materiálem tloušťky x platí: §μ je lineární absorpční koeficient §někdy se zavádí polotloušťka: §fotoefekt §Comptonův rozptyl §tvorba párů §celkově § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §6. Interakce jaderného záření s hmotou, detektory §6. 5. Detektory jaderného záření § §detektory §využívá se účinků jaderného záření při průchodu hmotou, kromě popisovaných i jejich dalších důsledků: luminiscence, fotografických účinků §určovací §6. 5. 1. Rozdělení detektorů §zobrazovací (C) §integrační (A) §počítače (B) § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §6. Interakce jaderného záření s hmotou, detektory §6. 5. Detektory jaderného záření § §princip: měření elektrického proudu mezi dvěma elektrodami, oddělenými plynem, ve kterém dochází vlivem záření k ionizaci §6. 5. 2. Ionizační komora (A) § § § §μA § §+ §100 – 1000 V § §+ § §- §náplň: vzduch, argon, metan (různé tlaky) § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §6. Interakce jaderného záření s hmotou, detektory §6. 5. Detektory jaderného záření § §charakteristika: závislost proudu na napětí při konstantním zdroji ionizujícího záření §6. 5. 2. Ionizační komora §U §I §I. §II. §III. §uvolní-li se za 1 s mezi elektrodami N jednomocných iontových párů, je proud na plošině charakteristiky: §hodí se k detekci silně ionizujícího záření: α a β §lze upravit i k detekci záření γ: silný kovový obal, §pro detekci neutronů je obal parafínový §výhody: jednoduchost, v uspořádání pro α a β necitlivost na γ §nevýhody: malá citlivost, není možné určit druh a energii částic sur_ion_chamber § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §6. Interakce jaderného záření s hmotou, detektory §6. 5. Detektory jaderného záření § §6. 5. 3. Geigerův-Müllerův počítač(B) § § § §a §k §náplň: argon s tlakem několika set Pa §+ halogenové páry nebo alkoholové páry §100-1000 V §k čítači §princip: vnitřní zesílení v plynu: ~ 108x § GM_počítač § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §6. Interakce jaderného záření s hmotou, detektory §6. 5. Detektory jaderného záření § §6. 5. 3. Geigerův-Müllerův počítač §princip: vnitřní zesílení v plynu: ~ 108x · primární ionizace náplně po průletu částice podél její trajektorie · urychlení iontů hlavně v okolí drátové anody (silné elektrické pole) · sekundární ionizace · vznik primárního jiskrového výboje podél trajektorie ionizující částice · ultrafialové záření z primárního jiskrového výboje ionizuje celou plynovou náplň · jiskrový výboj se rozšíří na celý prostor trubice, rezistorem prochází proud, zvýšené napětí se přenáší do čítače · halogenové nebo alkoholové páry pohlcují ultrafialové záření, zároveň se snižuje napětí na elektrodách Þ výboj se zháší, trubice je připravena registrovat další částici · §pro detekci α a β mají vstupní slídové okénko §k detekci záření γ: silný kovový obal §k detekci záření neutronů: náplň BF3, ve kterém probíhá jaderná reakce §výhody: jednoduchost, spolehlivost, možnost průtokového měření, A nebo B (elektronicky), možnost spojování ve velké komplexy §nevýhody: nelze měřit energie (lze u proporcionálních počítačů), poměrně velká mrtvá doba, malá účinnost (25 % pro α a β, jen 5 % pro γ) § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §6. Interakce jaderného záření s hmotou, detektory §6. 5. Detektory jaderného záření § §6. 5. 4. Scintilační detektor (B) §historický předchůdce: spintariskop Spinthariskop spinth4 §částice α vyvolávají v sulfidu zinečnatém scintilace (důsledek rekombinace iontů v pevné optické látce nebo jako zpětný jev k excitaci), scintilace se pozorují lupou §nevýhody: lidský faktor, nutnost přizpůsobení citlivosti oka na tmu (alespoň 15 minut) §elektronické snímání záblesků: fotonásobičem § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §6. Interakce jaderného záření s hmotou, detektory §6. 5. Detektory jaderného záření § §6. 5. 4. Scintilační detektor photomultiplier pmttube4 pm3 Let_There2 § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §6. Interakce jaderného záření s hmotou, detektory §6. 5. Detektory jaderného záření § §6. 5. 4. Scintilační detektor §zesílení ~ 1010 §krystaly: pro α ZnS, pro β NaI (Tl), pro γ organické látky, kapaliny §výhody: detekce všech druhů záření, impuls je úměrný energii, lze měřit energie, vysoká účinnost: α a β ~ 100 %, γ ~ 50 %,volbou krystalu je možno dosáhnout necitlivosti na ostatní druhy záření, velmi malá mrtvá doba: ~ 10-9 s, možnost spojování ve velké komplexy a zkoumání obrovských objemů §nevýhody: složitější elektronika, velké rozměry čidla § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §6. Interakce jaderného záření s hmotou, detektory §6. 5. Detektory jaderného záření § §6. 5. 5. Čerenkovův počítač (B) §obdoba scintilačního počítače, pouze mechanismus vzniku záblesků je jiný §aktivní látka: plexisklo, voda, ... 1kton skdet24 § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §6. Interakce jaderného záření s hmotou, detektory §6. 5. Detektory jaderného záření § §6. 5. 6. Polovodičový detektor (B) §obdoba ionizační komory, místo plynu polovodič, místo ionizace vnitřní fotoelektrický jev, místo iontů dvojice nositelů elektrického proudu: elektron-díra Si(Li)Crystal §výhody: velmi malé rozměry, malá mrtvá doba, velká účinnost ~ 100 %, malé napětí §nevýhody: náročná elektronika § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §6. Interakce jaderného záření s hmotou, detektory §6. 5. Detektory jaderného záření § §6. 5. 7. Wilsonova mlžná komora (C) cloud7 cloud4 cloudimg wilson § § § §pára nasycená §pára přesycená se snahou kondenzace § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §6. Interakce jaderného záření s hmotou, detektory §6. 5. Detektory jaderného záření § §6. 5. 7. Wilsonova mlžná komora (C) §odstranění prachu elektrickým polem §výhody: zobrazením trajektorie lze měřit dolet, s přídavným magnetickým polem energii, náboj, hmotnost, lze sledovat interakce (Rutherfordův rozptyl, jaderné reakce, apod.) §nevýhody: indikace v jediném okamžiku, pak je komora neschopná dalšího zobrazení, protože se po návratu pístu stává pára nenasycená, je nutné počkat několik sekund E80front beer § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §6. Interakce jaderného záření s hmotou, detektory §6. 5. Detektory jaderného záření § §6. 5. 8. Difúzní mlžná komora (C) § § §pára nasycená: : +40º C §pára sytá §pára přesycená §topná spirála §suchý led: -70º C §výhody: zobrazením trajektorie lze měřit dolet, s přídavným magnetickým polem energii, náboj, hmotnost, lze sledovat interakce (Rutherfordův rozptyl, jaderné reakce, apod.), kontinuální provoz §nevýhody: nutnost intenzivního chlazení dolní podstavy § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §6. Interakce jaderného záření s hmotou, detektory §6. 5. Detektory jaderného záření § §6. 5. 9. Bublinková mlžná komora (C) §výhody: zobrazením trajektorie lze měřit dolet, s přídavným magnetickým polem energii, náboj, hmotnost, lze sledovat interakce (Rutherfordův rozptyl, jaderné reakce, apod.), možnost impulzního i kontinuálního provozu §nevýhody: částice musí mít velkou energii, nutnost chlazení §využívá přehřáté kapaliny a toho, že var nastává na iontech; požívaná kapalina: vodík, hélium, éter, freon, objem až několik m3 cernparticles1_11-02 [USEMAP] §animace §bublinkové §komory § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §6. Interakce jaderného záření s hmotou, detektory §6. 5. Detektory jaderného záření § 7-ft-cameras-sm-w cernblasenkammer §BEBC – Big European Bubble Chamber v CERNu §6. 5. 9. Bublinková mlžná komora (C) § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §6. Interakce jaderného záření s hmotou, detektory §6. 5. Detektory jaderného záření § §6. 5. 10. Jiskrová komora (C) §výhody: jednoduchost, spolehlivost §nevýhody: částice musí mít velmi vysokou energii §soustava elektrod se sendvičovým uspořádáním a velmi vysokým napětím sparkchamber2 § § §VN Pion_decay §rozpad pionu v jiskrové komoře § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §6. Interakce jaderného záření s hmotou, detektory §6. 5. Detektory jaderného záření § §6. 5. 11. Fotografické detektory §výhody: jednoduchost, spolehlivost, bez zdrojů, schopnost dlouhodobé činnosti §nevýhody: částice musí mít velmi vysokou energii §dozimetrické emulze, krystalové dozimetry (A) §fotografické emulze (C) Dosimeter dosimeter hcd § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § page_5a §800 kg fotografické emulze využité k zkoumání interakcí tauonového neutrina. Výsledkem je generace tauonu, který se rozpadá po 100 mikrometrech. Tento snímek byl získán z emulze, která byla ozařována 2 roky § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §7. Jaderné reakce §a) transmutace: je vyvolána interakcí částice a jádra, výsledkem je nové jádro, které není v periodické tabulce příliš vzdáleno od jádra původního a jedna nebo několik dalších částic: §7. 1. Druhy jaderných reakcí §symbolický zápis §nejčastější reakce: §první jaderná reakce uskutečněná vědomě: Rutherford 1919 § §k uskutečnění většiny jaderných reakcí je třeba, aby částice s měla velmi vysokou energii § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §7. Jaderné reakce §b) štěpení: původní jádro se působením částice rozštěpí na dvě nová (značně vzdálená v periodické soustavě) a několik nových částic §7. 1. Druhy jaderných reakcí §objev 1939 Hahn a Strassmann §protože se zpravidla uvolňuje několik neutronů, vyplývá z toho možnost řetězové reakce hahn.gif (75914 bytes) strassmann.jpg (79195 bytes) §Fritz Strassmann (1902-1980) §Otto Hahn (1879-1968) § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §7. Jaderné reakce §c) tříštění: původní jádro se působením částice změní na jiné jádro, značně vzdálené v periodické soustavě prvků a mnoho nukleonů §7. 1. Druhy jaderných reakcí §podmínkou je velmi vysoká energie dopadající částice (> 100 MeV) Réaction de fragmentation dans une émulsion photographique § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §7. Jaderné reakce §vyjadřuje pravděpodobnost reakce §7. 2. Účinný průřez jaderné reakce § §n – počet dopadajících částic za 1 sekundu na 1 m2 § §S – plocha terčíku §N – počet jader v terčíku na 1 m3 §C – počet jaderných reakcí v terčíku za 1 s §(za předpokladu, že x je menší než dolet) §σ – účinný průřez § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §7. Jaderné reakce §geometrický význam účinného průřezu: §7. 2. Účinný průřez jaderné reakce §z terčíku vybereme S a x takové, aby odpovídalo 1 atomu, na tento terčíček bude dopadat 1 částice za sekundu § § § § §S1 § §celý problém je převeden do geometrického modelu: nahradíme-li každý atom ploškou rovnou účinnému průřezu, je pravděpodobnost reakce dána poměrem ploch § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §protože geometrický rozměr jádra je řádu 10-14 m, používá se pro účinný průměr nestandardní jednotka: §1 barn = 10-28 m2 §velikost účinného průřezu pro různé reakce může být od 0 do několika tisíc barnů § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §7. Jaderné reakce §a) zákon zachování elektrického náboje: §7. 3. Zákony zachování při jaderných reakcích §b) zákon zachování počtu nukleonů (bude zobecněn v kapitole o elementárních částicích §c) zákon zachování hmotnosti a energie: §součet energií (včetně klidových) se před a po reakci rovnají §je reakce exoenergetická §je reakce endoenergetická; částice, která reakci vyvolá, musí mít alespoň prahovou energii: §d) zákon zachování hybnosti ve všech složkách §e) zákon zachování momentu hybnosti ve všech složkách § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §7. Jaderné reakce §a) přímý proces: §7. 4. Mechanismus jaderných reakcí Trans §typická doba procesu je §b) nepřímý proces (přes složené jádro): §typická doba procesu je § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §7. Jaderné reakce §účinný průřez v závislosti na energii částice vykazuje „rezonance“ §7. 4. Mechanismus jaderných reakcí Neutron Cross Section Spectra §záchyt neutronu s různými energiemi §je to jen další důkaz slupkového modelu jádra § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §7. Jaderné reakce §reakce, která vedla k objevu neutronu je základem zdrojů neutronů typu Ra-Be, Am-Be §7. 5. Reakce neutronů §jaderné výbuchy: až 1022 na 1 cm2 za sekundu §spontánní štěpení s poločasem rozpadu 2,6 roku §7. 5. 1. Zdroje neutronů §jaderné reaktory: běžně ~ 1015 neutronů na 1 cm2 za sekundu nutron_source_1 nutron_source_3 nutron_source_2 § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §7. Jaderné reakce §7. 5. Reakce neutronů §protože závisí na energii neutronů, dělí se neutrony: §rychlé: > 100 keV, střední (100 eV – 100 keV), pomalé (0,025 eV – 100 keV), tepelné §7. 5. 2. Interakce neutronů §a) pružný rozptyl, ztráta energie největší u vodíku §b) nepružný rozptyl: jaderná reakce §c) radiační záchyt: jaderná reakce §d) ostatní jaderné reakce §e) štěpení § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §7. Jaderné reakce §7. 5. Reakce neutronů §t – totální, s – rozptyl, a - absorpce, e – pružná, i – nepružná, c – transmutační, f - štěpná §7. 5. 3. Účinné průřezy interakcí neutronů §do 0,1 eV platí „zákon 1/v“: účinný prořez je nepřímo úměrný rychlosti, pak nastávají rezonanční záchyty np-117 np-128 §výrazné maximum pro 1,44 eV (30 000 bn) § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §7. Jaderné reakce §7. 5. Reakce neutronů §tepelné neutrony nejlépe pohlcuje kadmium, účinný průřez dosahuje 1000 barnů §7. 5. 3. Účinné průřezy interakcí neutronů §pro neutrony nad 1 MeV je účinný průřez roven geometrickém průřezu jader ~ 1 bn §detekce neutronů: běžnými detektory s využitím reakce (n,α), například §případně s využitím štěpení (detektory se obalují uranem, případně se plní plynem s obsahem uranu §aktivační metoda: využívá se velkých účinných průřezů pro jaderné reakce, používá se zlato (zlatá fólie se vystaví toku neutronů, indukovaná aktivita je úměrná toku neutronů § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §7. Jaderné reakce §7. 5. Reakce neutronů §je možné štěpit všechna těžká a střední jádra, nejlépe neutrony §7. 5. 4. Štěpná reakce §průběh: typický je přes složené jádro: Nuclear fission NeutronInducedFission §i když jde o reakci exoenergetickou (uvolňuje se energie), musíme zpravidla dodat jistou energii, která je zapotřebí k „přeštípnutí“ jádra: excitační energie Wex §existuje jen 5 jader, pro která je excitační energie záporná, to znamená, že štěpení může vyvolat i tepelný neutron: [USEMAP] §štěpení §235U sštěpná_reakce § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §7. Jaderné reakce §7. 5. Reakce neutronů §U235 je v přírodním uranu zastoupen 0,715 % §7. 5. 4. Štěpná reakce §U233 se vyrábí v jaderných reaktorech z thoria 232: §Pu239 se vyrábí v jaderných reaktorech z uranu 238: §Cf 252 se vyrábí z U256, které vzniká při podzemním jaderném výbuchu? §poločas rozpadu je 2,64 roku, použití v neutronových pumách? §Pu241 se vyrábí v jaderných reaktorech z plutonia 239: § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §7. Jaderné reakce §7. 5. Reakce neutronů §U235 se štěpí 40 různými způsoby, uvolněná energie je vždy asi 200 MeV, uvolňují se přitom 2 nebo 3 neutrony, 99 % okamžitě, 1 % zpožděně (fragmenty = vzniklá jádra jsou radioaktivní β- nebo emisí neutronu) §7. 5. 5. Produkty štěpení np-125 §z energie štěpení připadá na fragmenty asi 162 MeV, energie neutronů je 0,1 až 10 MeV, 10 MeV odnášejí neutrina § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §7. Jaderné reakce §7. 5. Reakce neutronů §produkce více než jednoho neutronu při 1 štěpení umožňuje uskutečnit řetězovou reakci: §7. 5. 6. Řetězová reakce fission §neutrony uvolněné štěpením mohou: · vyvolat další štěpení · absorpčně zaniknout · uniknout ze soustavy §multiplikativní faktor: střední počet štěpení vyvolaných neutrony z jednoho štěpení - k §n – počet štěpení v soustavě za 1 sekundu §τ – počet štěpení v soustavě § za 1 sekundu [USEMAP] §animace §řetězová §reakce § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §7. Jaderné reakce §7. 5. Reakce neutronů §Příklad: §7. 5. 6. Řetězová reakce §n(1) §k § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §7. Jaderné reakce §7. 5. Reakce neutronů §předpokládáme nejprve nekonečně velkou soustavu obsahující štěpný materiál a moderátor – materiál, který zpomaluje neutrony k zvýšení účinného průřezu pro štěpení) §7. 5. 7. Kritická velikost štěpné soustavy §k §v této soustavě vyvolá 1 neutron 1 štěpení §η - střední počet neutronů vzniklých štěpením (η > 1) §ε – koeficint rozmnožení rychlými neutrony: neutrony ze štěpení vznikají jako rychlé, ty jsou schopny štěpit i další materiál (zpravidla U 238), který je v soustavě §p – pravděpodobnost úniku rezonanční absorpci (p < 1) §f – koeficient tepelného využití (ani pomalý neutron nemusí vyvolat štěpení, může být zachycen v dalších materiálech soustavy, případně může být neštěpně absorbován (f < 1) §je-li soustava konečná, přistupuje ještě pravděpodobnost P – pravděpodobnost, že neutron během zpomalování neunikne ze soustavy §dosáhne-li se vhodným uspořádáním soustavy , je možné velikostí a tvarem soustavy regulovat velikost P a tím dosáhnout k = 1: kritické velikosti § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §7. Jaderné reakce §7. 5. Reakce neutronů §Kritické velikost nelze dosáhnout jakoukoli kombinací přirozeného uranu a obyčejné vody, která má příliš velký absorpční účinný průřez. §7. 5. 7. Kritická velikost štěpné soustavy §Kritické velikost lze dosáhnout s přírodním uranem pouze v kombinaci s grafitem nebo těžkou vodou. §Poprvé se kritické velikost dosáhlo v prosinci 1942 v Chicagu = Enrico Fermi (na stadionu pro squash). 1942-2 §regulace výkonu: reaktor se udržuje podkritický na okamžitých neutronech, potřebný příspěvek dodávají zpožděné neutrony z neutronového rozpadu fragmentů. § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §7. Jaderné reakce §7. 5. Reakce neutronů §7. 5. 8. Jaderný reaktor a energetika §regulace výkonu: reaktor se udržuje podkritický na okamžitých neutronech, potřebný příspěvek dodávají zpožděné neutrony z neutronového rozpadu fragmentů. § § § § § § § § § § § §palivové tyče (skládají se z proutků) - obohacený uran §chladivo + moderátor §regulační tyč §havarijní tyč § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §7. Jaderné reakce §7. 5. Reakce neutronů §7. 5. 8. Jaderný reaktor a energetika §obohacování uranu: difúze, destilace, superodstředivky centrfge §zásobárna vzorků pro ultraodstředivku – milion g, U 238 se hromadí na okrajích, U235 ve středu rotující trubice, 60 000 otáček, obvodová rychlost 450 m/s § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §7. Jaderné reakce §7. 5. Reakce neutronů §7. 5. 8. Jaderný reaktor a energetika §schéma běžné jaderné elektrárny t_temelin2 §Temelín schéma_jadel § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §7. Jaderné reakce §7. 5. Reakce neutronů §7. 5. 8. Jaderný reaktor a energetika §atomová bomba – štěpná: 2001HI1 § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §7. Jaderné reakce §7. 5. Reakce neutronů §7. 5. 8. Jaderný reaktor a energetika §atomová bomba – štěpná: atom_bomb01 sc11020226 boy2 § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §7. Jaderné reakce §7. 6. Termonukleární reakce §štěpení: 1 MeV/nukleon, syntéza: 4 MeV/nukleon: §zásadní potíž: dostat k sobě jádra přes Coulombovskou bariéru elektronových obalů i jader tak blízko, aby začaly působit jaderné síly (10-14 m) §potenciální energie dvou jader vodíku (protonů) v uvedené vzdálenosti: §kdyby se této energie mělo dosáhnout zahřátím, byla by teplota: §proto termonukleární reakce §reakcí se zatím daří dosáhnout: · ve hvězdách · ve vodíkové bombě · v malém v laboratoři (pomocí urychlovačů, metodou tokamaků, laserovou metodou) § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §7. Jaderné reakce §7. 6. Termonukleární reakce §příklady jaderné syntézy: reaction 56a §ve hvězdách: proton - protonový cyklus §možná varianta [USEMAP] §fúze §D+T § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §7. Jaderné reakce §7. 6. Termonukleární reakce §další možný proces ve hvězdách: uhlíko-dusíkový cyklus (CNO) np-136 §termonukleární bomba: jako roznětka slouží štěpná bomba, obal je ze směsi izotopů vodíku a lithia § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §7. Jaderné reakce §7. 6. Termonukleární reakce §termonukleární bomba: jako roznětka slouží štěpná bomba, obal je ze směsi izotopů vodíku a lithia graphic of the bomb and how it works thermoground e_bombH § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §7. Jaderné reakce §7. 6. Termonukleární reakce §laboratorní metody k získání řízené termonukleární reakce: §a) metoda tokamaků (ТOроидная КАмера МАгнитная) §jádro transformátoru §primární vinutí §toroidní cívky §magnetické pole toroidu §sekundární proud (plazma) §1 §1 – magnetické pole plazmy §výsledné magnetické pole § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §7. Jaderné reakce §7. 6. Termonukleární reakce §K udržení syntézy je nutné splnit tzv. Lawsonovo kritérium, které spojuje dosaženou teplotu při dané hustotě plasmy s energií reakce a časem, po který se daří udržet dosazenou teplotu. iter8 termo3 §Pro reakci deuteria a tritia je potřebná teplota 50 milionů kelvinů, součin koncentrace částic a potřebného času pak musí dosáhnout 1020 m-3s, v současnosti se dosahuje 1018 m-3s při teplotě 20 milionů K, na jiném tokamaku 50 milionů K při 1017 m-3s . § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §7. Jaderné reakce §7. 6. Termonukleární reakce §Koncepce tokamaku se zrodila koncem padesátých let v Sovětském svazu a u jeho zrodu stál L. A. Arcimovič. Je to v podstatě transformátor, jehož sekundární cívka má jeden závit ve tvaru toroidní trubice. Plazma z deuteria a tritia se nachází uvnitř toroidního dutého vakuového prstence. Elektrický proud primárního obvodu transformátoru indukuje elektromotorické napětí v sekundárním obvodu. V plynu D+T v toroidní trubici vznikne výboj, plyn se ionizuje a indukovaný proud jej zahřívá na vysokou teplotu. Magnetické pole tohoto proudu udrží vzniklé plazma v ose toroidu, takže se nedotýká stěn komory. Díky magnetickému poli se tepelné zatížení stěn sníží na technologicky zvládnutelnou hodnotu, a tak se předpokládá chlazení stěn na teploty 1000-1300 °C. Rozměry reaktoru a jeho výkon závisí obyčejně na vlastnostech materiálů, které tvoří plášť reaktoru, nikoli na vlastnostech plazmatu. Předpokládá se, že elektrický výkon těchto reaktorů by byl 2-3 GW. §Tokamak pracuje v pulzním režimu. Do vyčerpané prstencové vakuové nádoby se napustí pracovní plyn s hustotou částic 1018-1021 m-3. Proudem tisíců až milionů ampérů se plyn zahřeje do teplot 1-2 keV. K dosažení potřebné teploty okolo 10 keV je potřeba použít doplňkový ohřev: např. ohřev absorpcí elektromagnetické iontově cyklotronové vlny ionty, ohřev cyklotronní elektronovou rezonancí, vstřikováním neutrálního svazku - také pro dodání paliva, ohřev parametrickými vlnami - využitím intenzivních mikrovlnných nebo infračervených laserových svazků. §http://www.vesmir.cz/04_98/207.htm § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §7. Jaderné reakce §7. 6. Termonukleární reakce Laser fusion energy would use a krypton-fluoride (KrF) laser to produce thermonuclear burn in small spherical pellets. newsSmoothing mothership §192 laserů §U tokamaků se dosahuje velkých časů, ale malé hustoty. Laserová fúze je cestou, při které se dosahuje extrémních hustot po velmi krátký čas. Základem jsou jakési brikety, které jsou najednou ozářeny impulsem z mnoha výkonných laserů. § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §7. Jaderné reakce §7. 6. Termonukleární reakce Figure 2 § § § §sklo §chemicky černěné zlato §kapalná směs deutéria a tritia s tlakem 50 MPa §0,1 mm §rychlost imploze 300 km/s §1010 termonukleárních reakcí §okamžitý výkon 250 TW §(milionkrát víc než klasické výbušniny) §10 x za sekundu §stálý výkon 0,1 W § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §7. Jaderné reakce §7. 6. Termonukleární reakce png2 § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §7. Jaderné reakce §7. 6. Termonukleární reakce Laser Welded Part §nejnadějnější experiment: SHIVA a SHIVA NOVA dnes slouží výzkumu svařování pomocí soustředěných laserových paprsků Shiva laser target chamber Fusion Reaction §snímek exploze z roku 1986, v tomto okamžiku produkuje 100x více energie než všechny elektrárny na Zemi § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §8. Fyzika velkých energií, elementární částice §8. 1. Urychlovače §8. 1. 1. Van de Graafův urychlovač §Van de Graafův zdroj vysokého napětí §blokové schéma skutečného Van de Graafova urychlovače § §výhody: ljednoduchý lvysoká účinnost lvelké proudy l §nevýhody: lmalé energie lrozměrný § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §8. Fyzika velkých energií, elementární částice §8. 1. Urychlovače §8. 1. 1. Van de Graafův urychlovač § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §8. Fyzika velkých energií, elementární částice §8. 1. Urychlovače §8. 1. 1. Van de Graafův urychlovač lUrychlovač elektronů na energii 6 MeV. Je v nádobě výšky 10 m, průměru 35 m, která je naplněna freonem s tlakem 0,6 MPa. Dosahuje se proudu 2 A. §8. 1. 1. Van de Graafův urychlovač § 8. 1. 2. Lineární urychlovač § § § § § § § § § § § § § § § § § §vf VN §zdroj částic §princip: Na kovové elektrody ve tvaru válcového pláště, které jsou střídavě propojeny, je přivedeno vysoké napětí vysoké frekvence. Částice se urychluje vždy v každé mezeře, uvnitř elektrod se pohybuje rovnoměrným přímočarým pohybem. Lineární urychlovač - SLAC (Stanford Linear Accelerator) Kalifornie § délka 3 km § pracuje i jako colider § elektrony a pozitrony § vstupní energie 30 MeV § konečná energie 50 GeV § kolizní energie 100 GeV § může i protony § 245 klystronů po 67 MW § §8. 1. 2. Lineární urychlovač §Terčíková metoda a metoda srážek §Terčíková metoda: jedna částice se urychlí a naráží do jiné částice, která je součástí klidového terčíku. Energie srážky je přitom úměrná §Metoda srážek (coliderey): Urychlí se dva svazky částic a nesměřují se proti sobě. Energie srážky je přitom úměrná §Př.: , pak energie srážky je 20 GeV §Př.: pak energie srážky je 400 GeV §8. 1. 2. Lineární urychlovač TESLA §8. 1. 2. Lineární urychlovač TESLA T era E lectron V olt E nergy S uperconducting L inear A ccelerator §kabely § VN výkonové kabely §vodní potrubí §monorail §klystrony §kryogenní moduly §chodník pro údržbu §vlnovody §8. 1. 2. Lineární urychlovač TESLA §8. 1. 2. Lineární urychlovač Ernest Lawrence (1901-1958) §První cyklotron, zkonstruoval Ernest O. Lawrence v r. 1929 §8. 1. 3. Cyklotron Cyklotron - Ernest Lawrence (1901-1958) §M. S. Livingston a Ernest Lawrence 1932 §8. 1. 3. Cyklotron §výhody: § malé rozměry § kontinuální provoz § §nevýhody: § malá účinnost § potřeba magnetického pole § relativistické efekty omezují energii §8. 1. 3. Cyklotron Řešení relativistického zpožďování v cyklotronu §přechod na impulsní provoz: § během urychlování snižovat frekvenci - fázotron § během urychlování zvyšovat indukci magnetického pole - synchrocyklotron § §zachování kontinuálního provozu s konstantním polem: § využití gradientu magnetického pole (magnetické pole od středu vzrůstá), § příklad řešení: FFAG (Fixed-Field Alternating-Gradient) - TRIUMF Kanada §8. 1. 3. Cyklotron Synchrocyklotron - první urychlovač v CERNu (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) - 600 MeV 1957 §8. 1. 3. Cyklotron §Triumf 1972 (Vancouver - Kanada) § - protony 520 MeV §8. 1. 3. Cyklotron Cyklotron - TRIUMF §8. 1. 3. Cyklotron §8. 1. 3. Kruhové urychlovače (synchrofázotron, synchrotron, bevatron, kosmotron) §princip: Kdyby byl lineární urychlovač nekonečně dlouhý, elektrody by se již neprodlužovaly, jejich délka by se ustálila na § § § § §urychlující prstence §magnety § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § synchrofázotron - Dubna § urychluje protony na 10 GeV § průměr 36 m § vakuová trubice 2 m x 0,5 m § rozměry magnetů 7,5 x 5,3 m § hmotnost magnetů 36 000 tun § na 1 urychlení 4,5 milionu otáček § napájen vlastní elektrárnou § objev antiprotonu, antineutronu §8. 1. 3. Kruhové urychlovače (synchrofázotron, synchrotron, bevatron, kosmotron) synchrotron - kruhový urychlovač se silnou fokusací §8. 1. 3. Kruhové urychlovače (synchrofázotron, synchrotron, bevatron, kosmotron) synchrotron - fokusace svazku kvadrupólovými magnety §8. 1. 3. Kruhové urychlovače (synchrofázotron, synchrotron, bevatron, kosmotron) SPS - Super Proton Synchrotron (CERN - Švýcarsko, Francie) §8. 1. 3. Kruhové urychlovače (synchrofázotron, synchrotron, bevatron, kosmotron) LEP - CERN §8. 1. 3. Kruhové urychlovače (synchrofázotron, synchrotron, bevatron, kosmotron) LEP (Large Electron-Positron Collider - CERN - délka 27 km §8. 1. 3. Kruhové urychlovače (synchrofázotron, synchrotron, bevatron, kosmotron) LEP - CERN § urychluje v jednom systému elektronu a pozitrony na energie 90-208 GeV § 100 metrů pod zemí § 4 detektory na kolizních místech: ALEPH, DELPHI, OPAL, L3 § hlavní úspěchy při studiu intermediálních bosonů W a Z § 2000 - hon na Higgsův boson (předpokládaná klidová energie 115 GeV) § existenci Higgsva bosonu předpokládá standardní model: §měla by to být velmi hmotná neutrální částice, která vysvětluje rozpor mezi §velmi vysokou hmotností bosonů W a Z a nulovou hmotností fotonu § chod LEP ukončen 8. 11. 2000 po 11 letech §8. 1. 3. Kruhové urychlovače (synchrofázotron, synchrotron, bevatron, kosmotron) největší urychlovače současnosti l lTEVATRON FERMILAB (USA) 1000 GeV lHERA DESY (Hamburg) 820 GeV Deutsches Elektronen-Synchrotron) lSPS CERN (Švýcarsko) 450 GeV lLHC - Large Hadron Collider (ve výstavbě) CERN (Švýcarsko) 7 TeV, dvojice protonů 14 TeV, jádra olova 1150 TeV §8. 1. 3. Kruhové urychlovače (synchrofázotron, synchrotron, bevatron, kosmotron) LHC - Large Hadron Collider lve výstavbě - přestavba LEP (dokončeno 2004) lCERN (Švýcarsko) lenergie protonu 7 TeV, dvojice protonů 14 TeV, jádra olova 1150 TeV l napájení magnetů supravodivě proudem 23 MA §8. 1. 3. Kruhové urychlovače (synchrofázotron, synchrotron, bevatron, kosmotron) TEVATRON Batavia, Ilinois,USA § na energii 1000 GeV = 1 TeV § energie srážky 2 TeV § u terčíkové metody bychom museli mít 2 000 TeV § po rekonstrukci činnost zahájena v r. 2001 §8. 1. 3. Kruhové urychlovače (synchrofázotron, synchrotron, bevatron, kosmotron) TEVATRON - důkaz kvarku top - srážka protonu s antiprotonem §8. 1. 3. Kruhové urychlovače (synchrofázotron, synchrotron, bevatron, kosmotron) §8. 1. 4. Betatron – urychlovač elektronů betatron §princip: transformátor, sekundární vinutí tvoří vakuová trubice se svazkem elektronů, urychlení probíhá v první čtvrtperiodě, ve které rostoucí magnetické pole udržuje elektrony na dráze s konstantním poloměrem Donald Kerst with the first betatron §první betatron z roku 1940 §omezení energie: brzdné záření, energie do 300 MeV • smokatron • urychlovače se samofokusací §8. 1. 4. Futurologické urychlovače kmen §8. 1. 5. Kosmické urychlovače? §částice s energií : 1 částice na 100 km2 za 1 rok §částice s energií : 1 částice na 1 m2 za 1 rok §částice s energií : 10 částic na 1 m2 za 1 minutu • rekordní částice - energie • nejenergetičtější částice: jádra C, Fe, nepocházejí z naší Galaxie • četnost dopadu: • ve výšce 12 km nad zemí vzniká kaskáda 1011 sekundárních částic (hadrony, miony, piony, z nich neutrina, fotony) • detekce AGASA (Japonsko) 50 km2, Argentina ( Pierre-Auger Observatory - ve stavbě) 3000 km2 §8. 1. 5. Kosmické urychlovače? • energie částic ze supernovy • urychlení umožňuje extrémní elektromagnetické pole: 1015 V/m, 108 T • z izotropie „záblesků gama“ vyplývá, že jsou mimogalaktického původu • částice s energií 1019 eV generuje spršku sekundárních částic, která na povrchu Země pokryje plochu 6 x 6 km §8. 1. 5. Kosmické urychlovače? §8. 2. Elementární částice §8. 2. 1. Objevy elementárních částic • elektron – 1897 (çca 50 keV) • proton – 1911 (5 MeV) • foton – 1905-1911 • neutron – 1932 (5 MeV) • pozitron – 1933 (kosmické záření) • mion – 1935 teorie, 1947 (kosmické záření) • K-mezon – 1947 (kosmické záření) • struktura protonu – 1960 (SLAC, Brookhaven) • neutrino – teorie 1934, důkaz 1955 • neutrino mionové - 1962 • kvark charm – 1974 (SLAC, Brookhaven) • lepton tau – 1975 (SLAC, Brookhaven) • kvark bottom – 1977 (Fermilab) • gluon – 1979 (DESSY) • bosony W a Z (slabá interakce) – 1983-85 (CERN) • kvark top (netěžší složka hmoty) – 1994-95 (Fermilab) • neutrino tauonové 1999 §8. 2. Elementární částice §8. 2. 2. Klasifikace částic §bosony (celočíselný spin, Boseho-Einsteinovo rozdělení) § §fermiony (poločíselný spin, Fermiho-Diracovo rozdělení, Pauliho princip) §částice (tvoří drtivou většinu našeho vesmíru) § §antičástice (mají opačné: náboj, magnetický moment, baryonové a leptonové číslo) §částice zprostředkující interakce §leptony (podléhají pouze gravitační a elektroslabé interakci) §hadrony (podléhají všem interakcím) §hadrony §mesony (bosony) §baryony (fermiony) §8. 2. Elementární částice §8. 2. 2. Klasifikace částic §Intermediální částice: §Částice zprostředkující interakce. Pro elektromagnetickou interakci jde o foton, pro slabou interakci o částice W+, W-, Z0, pro silnou interakci existuje 8 gluonů a pro gravitační interakci zatím nenalezený graviton. §Leptony: §Elektron a jeho neutrino ve třech generačních provedeních a samozřejmě jejich antičástice. Bez vnitřní struktury. Všechny podléhají slabé interakci, elektrony i interakci elektromagnetické. § §Kvarky: §Částice, ze kterých jsou tvořeny hadrony s vnitřní strukturou (například proton, neutron a mezony). Opět existují ve třech generacích, podléhají interakci silné, slabé i elektromagnetické. § §Higgsovy částice: §Zatím nenalezené částice, které v teoriích způsobují narušení symetrie a nenulovou hmotnost intermediálních bosonů W+, W-a Z0 slabé interakce. §Podle představ kvantové teorie pole (P. A. M. Dirac, R. Feynman a další) probíhá interakce dvou částic tak, že si vymění tzv. intermediální (mezipůsobící, polní, výměnnou) částici. § §Každá částice podléhající interakci je obklopena oblakem těchto intermediálních částic. Pojem pole (elektromagnetické, slabé, silné, gravitační) tak neznamená nic jiného než tento oblak intermediálních částic. Jde o tyto částice: §elektromagnetická interakce §foton §slabá interakce §W+, W-, Z 0 §silná interakce §8 gluonů §gravitační interakce §graviton (dosud neobjeven) §Každá elektricky nabitá částice je tedy obklopena fotony (elektromagnetickým polem), každý kvark je obklopen gluony (gluonovým - silným polem). Gluony vytvářejí kolem kvarku jakýsi těžký gluonový kožich, jeho hmotnost dokonce několikanásobně přesahuje hmotnost samotného kvarku. Intermediální částice §8. 2. Elementární částice §8. 2. 3. Částice zprostředkující interakce – (intermediální) bosony • Elektromagnetická interakce: Působí jen na částice s elektromagnetickým nábojem (elektrony, protony, nabité piony, ...). Interakce má nekonečný dosah, působí i na velké vzdálenosti. § • Slabá interakce: Působí na leptony i hadrony. Zodpovídá za relativně pomalé rozpady částic (například β rozpad neutronu, rozpad mionu). Jde o interakci krátkého dosahu do vzdáleností srovnatelných s rozměry atomového jádra. § • Silná interakce: Působí jen na hadrony. Jde o sílu, která spojuje kvarky v mezony a baryony; sílu, která udržuje pohromadě neutrony a protony v atomovém jádře a sílu, způsobující některé rychlé rozpady elementárních částic. Jde opět o interakci krátkého dosahu do vzdáleností srovnatelných s rozměry atomového jádra. § • Gravitační interakce: Působí na všechny částice bez rozdílu, má nekonečný dosah. Odpovídá za strukturu Vesmíru (pohyby planet, soudržnost galaxií, celkový vývoj Vesmíru). §8. 2. Elementární částice §8. 2. 3. Částice zprostředkující interakce §http://www.aldebaran.cz/astrofyzika/interakce/particles.html §8. 2. Elementární částice §8. 2. 4. Leptony § §Částice §Hmotnost §Doba života §Rok objevu §e §0,51 MeV (1 me) §- §1897 §m §105,7 MeV (207 me) §2×10-6 s §1937 §t §1777 MeV (3484 me) §3×10-13 s §1977 §ne §? § §1956 §nm §~ 0,07 eV § §1962 §nt §? § §1999 §8. 2. Elementární částice §8. 2. 5. Kvarky § §kvark §spin §baryonové číslo §náboj §hmotnost §rok objevu §d (down) §1/2 §1/3 §- 1/3 §7 MeV §1969 §u (up) §1/2 §1/3 §+ 2/3 §5 MeV §1969 §s (strange) §1/2 §1/3 §- 1/3 §150 MeV §1969 §c (charm) §1/2 §1/3 §+ 2/3 §1,4 GeV §1974 §b (bottom) §1/2 §1/3 §- 1/3 §4,3 GeV §1976 §t (top) §1/2 §1/3 §+ 2/3 §176 GeV §1994 § § § §8. 2. Elementární částice §8. 2. 5. Kvarky § § § § § Skalární mezony: Spin kvarků je orientován naopak a výsledný spin mezonu je nulový (s = 0) § Vektorové mezony: Spin kvarků je orientován souhlasně a výsledný spin mezonu je roven jedné (s = 1) § Možné kombinace kvarků se často zakreslují do přehledných diagramů. Nakresleme je pro první tři kvarky d, u, s. Ve směru doprava roste elektromagnetický náboj částice, ve směru nahoru klesá počet podivných kvarků, neboli roste podivnost. Podivnost s kvarku je -1, podivnost antikvarku je +1. Kombinaci kvarků ve středu diagramu je třeba chápat jako kombinaci kvantových stavů. Běžný svět první generace složený z kvarků (d, u) a jejich antikvarků je v prostřední linii diagramů. Jde o nejznámější mezony p se spinem 0 a ρ se spinem 1. Mezony ρ jsou ve skutečnosti rezonance s dobou života cca 10-23 s. Mezony obsahující s kvark se nazývají K mezony (kaony) a byly poprvé nalezeny ve 40. letech v kosmickém záření, v 50. letech byly připraveny uměle na urychlovačích. Vznikají při procesech ovlivňovaných silnou interakcí, rozpadají se slabou interakcí. Nejdelší dobu života má mezon K0: 5×10-8 s. §Mezony (složené z kvarku a antikvarku): §8. 2. Elementární částice §8. 2. 5. Kvarky § §Mezony (složené z kvarku a antikvarku): Mezony §8. 2. Elementární částice §8. 2. 5. Kvarky § §Baryony (složené ze tří kvarků): § §Tři kvarky lze kombinovat tak, že výsledný spin je roven 1/2 nebo 3/2. Podle toho je možné z kvarků d, u, s zkombinovat tyto baryony: Baryony § elemtab základní kameny materiálního světa § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § quarkcartoon 2_dew_drop §Kvarky. Neutrina. Mesony. Všechny tyto zatracené částice nemůžeš vidět. Ale co mne takhle zřídil chlast, tak je vidět můžu.