1
VF, a.s., Černá Hora
Úvod do fyziky
1. Atomové jádro
- subatomární částice, hadrony a antihadrony, kvarky,
- energetické stavy v potenciálové jámě
2. Jádro a jeho stabilita
3. Radiaktivní přeměny
-přeměny beta, alfa, gama, samovolné štěpení, větvené přeměny
4. Kinetika radioaktivních přeměn
- trvalá radioaktivní rovnováha, radioaktivní řady
5. Ionizující záření
- mechanismus absorpce záření alfa, beta, gama
- absorpční křivky pro jednotlivé druhy záření
- absorpce neutronového záření
6. Měření a detekce ionizujícího záření
- plynové ionizační detektory
- scintilační detektory
- kapalná scintilace
- polovodičové detektory
- měření neutronů
7. Jaderné reakce
- základní informace o průběhu jaderných reakcí
- prakticky důležité reakce neutronů
8. Vybrané příklady využití ionizujícího záření v praxi
Literatura:
Hála, Jiří. Radioaktivita, ionizující záření, jaderná energie. První vydání. Nakladatelství
Konvoj, spol. s.r.o. : Brno, 1998. 311 s. ISBN 80-85615-56-8
Použity byly obrázky Vojtěcha Ullmanna
2
1. Struktura hmoty
Hmota je tvořena z hlediska vnějšího pohledu různými látkami.
Následující schéma uvádí tento pojem do souvislosti s dalším
členěním:
Atomy jsou tvořeny elementárními částicemi (pojem
původně vyhrazený pro nedělitelný útvar bez vnitřní struktury)
Elementární částice dnes – cca 100 částic
+ 100 antičástic
Následující schéma naznačuje zjednodušeně členění
elementárních částic.
3
Leptony
vyznačují se slabými interakcemi
nemají vnitřní strukturu
lze je považovat za fundamentální částice
Leptonové číslo pro leptony:
½
Leptonové číslo pro antileptony:
-½
Náboj: O nebo -1
Nábojová čísla a hmotnosti leptonů
Z m(u)
elektron e-1
5,5 . 10-4
(m0)
elektronové
neutrino
νe 0 ≤5 . 10-9
mion µ-1
0,1135
mionické
neutrino
νµ 0 < 505.10-4
tauon τ-1
1,908
tauonické
neutrino
ντ 0 < 0, 26
Doba života mionu a tauonu je krátká (10-6
, resp. 10-13
s).
Zákon zachování leptonového čísla:
celkové leptonové číslo je před interakcí a po ní stejnéCelkové leptonové číslo je před interakcí a po ní stejné
4
Hadrony (je jich cca 200)
spin
Mezony: 0 nebo
celočíselný
Baryony: nukleony (proton, neutron)
1/2, 3/2
hyperony (částice těžší než nukleony)
Baryonové číslo pro baryony: 1
Baryonové číslo pro antibaryony: -1
Baryonové číslo pro mezony a leptony: 0
Platí zákon zachování baryonového čísla
Fundamentální částice
Velký počet hadronů a antihadronů je dán představou o jejich
vnitřní struktuře, které jsou tvořeny malým počtem
fundamentálních částic druhého typu, tzv. kvarků
(e jich 6 druhů, mají baryonové číslo B= 1/3 a zlomkový elektrický náboj
Z= 2/3 nebo - 1/3)
Označení kvarků - termín „vůně“ (flavour)
Vlastnosti kvarků :
nábojové číslo Z
podivnost (strangeness) S
půvab (charm) C
krása (beauty) B
pravda (truth) T
kvark vůně hmotnost
(u)
d down 0,0086
u up 0,0054
s strange 0,17
c charm 1,61
b bottom 4,56
t (1994) top 193
5
Pravidla pro kvarkovou skladbu hadronů:
baryon obsahuje vždy tři kvarky antibaryon obsahuje
tři antikvarky
Vlatnosti některých baryonů
hmotnost
(u)
Z kvarkové
složení
p 1,0072765 +1 uud
n 1,0086650 0 udd
ΛΛΛΛ 1,198 0 uds
ΣΣΣΣ+
1,227 +1 uus
ΣΣΣΣ-
1,277 -1 dds
ΩΩΩΩ-
1,795 -1 sss
ΛΛΛΛc
+
2,42 +1 udc
mezon obsahuje jeden kvark a jeden antikvark
Vlatnosti některých mezonů
hmotnost (u) Z kvarkové složení
ππππ+
0,150 +1 uñ
ππππ-
0,150 -1 dū
ππππo
0,145 0 uū nebo dñ
K+
0,530 +1
K-
0,530 -1
ΦΦΦΦ 1,095 0 atd….
J/ΨΨΨΨ 3,32 0
Do
2,00 0
D+
2,005 +1
baryonová, nábojová a další kvantová čísla kvarků
se sčítají dávají kvarku pozorované vlastnosti
Příčinou soudržnosti kvarků jsou tzv. silné interakce (je cca
100 x silnější než interakce elektromagnetické).
6
Silná interakce:
je zprostředkována výměnnou jiné částice, která má velmi
krátkou dobu života (tato částice je po emisi jednou částicí
okamžitě absorbována druhou interagující částicí – nelze ji
proto jako částici zaznamenat -virtuální částice)
kvanta silového pole mezi kvarky se nazývají gluony,
které jsou nehmotné a nemají elektrický náboj
působení interakcí mezi kvarky je omezeno na malý prostor
kvarky nemohou existovat samostatně (k jejich uvolnění by
bylo zapotřebí extrémně vysoké energie) – proto pozorujeme
pouze jejich přeskupování za vzniku jiných mezonů a
hadronů.
proces výměny je komplikovaný, neboť každý kvark může
existovat ve třech kvantových stavech označovaných jako
barva (červená, modrá, zelená)
Pojem barva lze si lze představit jako „velmi silný” elektrický
(barevný) náboj, který je podstatou silné interakce
podle teorie musí být vznikající hadron ⇒ kvarky
se musí vhodně kombinovat (analogie se skládáním barev
v barevné fotografii)
při výměně gluonu mezi dvěma kvarky mění oba kvarky
svou barvu tak, aby hadron zůstal bezbarvý
7
Elementární a fundamentální částice pro
oblast atomů, jader
a jejich radioaktivní přeměny
je dána pouze čtyřmi fundamentálními částicemi první generace
elektron eelektronové
neutrino ννννe
kvark u u
kvark d d
Další generace fundamentálních částic vytvářejí neobvyklé
a nestálé hadrony při interakci částic s vysokou energií.
Existují i neobvyklé kombinace dalších leptonů a hadronů –
vznikající atomy se nazývají exotické
Možné jsou i antiatomy, které jsou tvořeny pouze antičásticemi
(poprvé v r. 1996)