Wykład 11

1. Wykład 11 Energia jadrowa. Cząstki elementarne, kwarki. Model standardowy.

2. Doświadczenie Rutherfordastruktura atomu Prawie cała masa atomu w jądrze. Dodatnie jadra, znacznie mniejsze od atomu.

3. Promieniotwórczość naturalna i sztuczna http://chall.ifj.edu.pl/edukacja/cpep.html jądro helu elektron kwant światła

4. Czas (okres) połowicznego zaniku Czas życia

5. Składniki jadra atomowego protony i neutrony (bariony, konkretnie nukleony) • proton • cząstka trwała • naładowana dodatnio • o masie 1.007276 u • neutron • czas życia 15 min. • obojętna elektrycznie • o masie 1.008665 u rozpad b (anty) neutrino elektronowe obojętna lekka cząstka, - wykryta bo zabiera pęd

6. Defekt masy – energia wiązania składników Energia wiązania nukleonu w jądrze Defekt masy: Fe: najlżejsze nukleony, największa energia wiązania Zysk energii przy rozpadzie jader ciężkich i syntezie lekkich

7. Synteza termojądrowa – bilans energii (masy) przed reakcją: po reakcji: Ubyło ~0,0273 u. Została wydzielona energia w ilości ~25,7 MeV.

8. Synteza termojądrowa – bilans energii (masy) Cykl protonowy (26.2 MeV):

9. Rozszczepienie jądrowe po pochłonięciu neutronu (26.2 MeV):

10. Reakcja łańcuchowa (lawinowa) • rośnie liczba neutronów • reaktor jądrowy lub bomba atomowa

11. Odkrywanie nowych cząstek

12. Cząstki elementarne i kwarki

14. Model standardowy • wszystkie znane cząstki elementarne da się zbudować z dwu rodzajów podstawowych cząstek materii: • 6 leptonów (i 6 antyleptonów) - może istnieć samodzielnie • 6 kwarków (i 6 antykwarków) – o ułamkowych ładunkach elektrycznych nie mogą istnieć samodzielnie.

15. Leptonyspin 1/2 • tylko elektrony i neutrina są trwałe, • przy rozpadach cięższych leptonów zachowane są • ładunek elektryczny • liczba elektronowa • liczba mionowa • liczba tau • neutrina - cegiełki bez masy? • obojętne elektrycznie • nie oddziałują silnie • istotne przy rozpadach • musi ich być dużo.

16. Kwarkispin 1/2 • ułamkowe ładunki elektryczne, • nie istnieją samodzielnie • silnie (poprzez gluony) oddziałują między sobą; • trwałe są dwa najlżejsze kwarki, u, d; • trudno określić masę bo wysoka jest energia wiązania i energia kinetyczna cząstek w bardzo małej objętości. • ładunki kolorowe kwarków.

17. Podstawowe cegiełki materiipodsumowanie

18. Ładunki kolorowe kwarków (i gluonów) • dodatkowa liczba kwantowa, • decyduje o oddziaływaniach silnych • gluony, przenoszące oddziaływania silne, też posiadają kolor i anty-kolor. • kwarki występują w trzech kolorach, anty-kwarki w trzech anty-kolorach.

19. Hadrony - złożone cząstki materiicałkowity ładunek elektrycznyzerowy ładunek kolorowy • Mezony • składają się z 2 kwarków, • są bozonami (spin całkowity) • Bariony • składają się z 3 kwarków, • mają spin połówkowy (są fermionami),

20. Pola oddziaływań czy cząstki (kwanty) przenoszące oddziaływania? • równoważne opisy oddziaływań; • mówienie o cząstkach przenoszących oddziaływania, tzn. pośredniczacych (bozonach) • jest konsekwentnym obrazem kwantowym, • szczególnie uzasadnionym w fizyce wysokich energii (cząstek elementarnych); • bozony przenoszą oddziaływania pomiędzy fermionami, elementarnymi składnikami materii: • kwarkami i • leptonami.

21. Cztery oddziaływania • W ramach Modelu standardowego • elektromagnetyczne - fotony, g, ładunki elektryczne • silne – gluony, ładunki kolorowe • słabe - bozonyW+, W-, Z, zapachy • grawitacyjne poza „modelem standardowym”

22. Oddziaływanie elektromagnetyczne • pole elektromagnetyczne utworzone jest z fotonów, czyli kwantów g, czyli • fotony są bozonami przenoszącymi oddziaływanie elektromagnetyczne; • fotony • maja zerową masę, • rozchodzą się z szybkością światła.

23. Szczątkowa siła elektromagnetyczna • wiązania chemiczne typu kowalencyjnego i Van der Waalsa

24. Oddziaływanie silne • Kwarki i gluony posiadają „ładunek kolorowy”, • gluony przenoszą silne oddziaływanie pomiędzy kwarkami • oddziaływanie pomiędzy ładunkami kolorowymi nazywa się oddziaływaniem silnym i łączy ze sobą kwarki w hadrony (grupy kwarków). • siła oddziaływania powoduje, że • kwarki nie występują samodzielnie (są uwięzione w hadronach) • wszystkie hadrony są kolorowo obojętne. • prawo zachowania koloru - przy rozpadzie hadronu pojawia się para nowych kwarków (kwark-antykwark)

25. Gluony – sklejacze kwarków • każdy gluon, g, ma kolor i anty-kolor • kwark czerwony emituje gluon czerwony/anty-niebieski (żółty) • pozostaje kwark niebieski i gluon czerwono/żółty, • suma produktów ma zachowany kolor czerwony.

26. Szczątkowe oddziaływanie silne • ciągle wystarczająco silne by pokonać odpychanie kulombowskie pomiędzy protonami w jądrze.

27. Oddziaływanie słabe • inny rodzaj oddziaływania pomiędzy kwarkami i leptonami; • przenoszone przez bozony W+, W-, Z; • powiązane są ze zmianą zapachu; • powodują, że jedynie dwa kwarki, d i u oraz elektron, e (lepton) są trwałymi składnikami materii;

28. Oddziaływanie słabe - zapachy • oddziaływanie pomiędzy kwarkami i leptonami przenoszone przez bozony W+, W-, Z; • bozony te mogą zmieniać zapach • kwarki i leptony charakteryzują się zapachem; • zapach jest liczbą kwantową,

29. Klasyfikacja cząstek • Fermiony o spinie połówkowym: • podlegaja zakazowi Pauliego, • budują materię • kwarki i leptony oraz czastki złożone takie jak protony, neutrony i niektóre jądra) • bozony o spinie całkowitym: • cząstki przenoszące oddziaływania (tworzące pola) • cząstki złożone z parzystej liczby fermionów (niektóre jądra)

31. Rozpad b neutronu 1.neutron (hadron) udd 2.przemiana kwarku du z emisją bozonu W- 3. pozostaje hadron (proton) uud i bozon W- 4. Pośredniczący bozon W- rozpada się na elektron i antyneutrino. 4. Pośredniczący bozon W- rozpada się na elektron i antyneutrino.

32. Anihilacja pary elektron pozyton 1.para leptonów elektron-pozyton 2.anihilacja z wydzieleniem energii- 3. pozostaje kwant g (wirtualny bozon) 4. tworzy się para kwark – anty-kwark 5. powstaje pole gluonowe 6. kwarki oddalają się 7. gluon zamienia się w nową parę kwark - anty-kwark 8-10. powstają dwa dwu-kwarkowe mezony D