01.12.2014 Views

pobierz zbiór pdf

pobierz zbiór pdf

pobierz zbiór pdf

SHOW MORE
SHOW LESS

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.

Zagadnienia do egzaminu licencjackiego<br />

1. Struktura materii – cząstki i oddziaływania<br />

2. Własności jąder atomowych – masa, energia wiązania,<br />

spin, izospin, momenty elektromagnetyczne<br />

3. Przemiany jądrowe – ogólna klasyfikacja<br />

4. Prawa rozpadu promieniotwórczego<br />

5. Charakterystyka i opis rozpadu alfa<br />

6. Charakterystyka i opis rozpadu beta<br />

7. Charakterystyka rozpadu gamma, zjawisko konwersji wewnętrznej<br />

8. Oddziaływanie z materią ciężkich cząstek naładowanych<br />

9. Oddziaływanie elektronów z materią<br />

10. Oddziaływanie promieniowania gamma z materią<br />

11. Podstawowe pojęcia i jednostki dozymetrii<br />

12. Reakcje jądrowe – klasyfikacja, podstawowe obserwable<br />

13. Przekrój czynny – rozkłady i wnioski z nich wynikające<br />

14. Własności i opis reakcji bezpośredniego oddziaływania<br />

15. Własności i opis reakcji przez jądro złożone<br />

16. Model kroplowy jądra atomowego<br />

17. Model powłokowy jądra atomowego<br />

18. Model gazu Fermiego jądra atomowego<br />

19. Rozszczepienie jąder atomowych, reaktor jądrowy<br />

20. Reakcje jądrowe w gwiazdach<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 1


Modele jądra atomowego<br />

Model budowy jądra atomowego to uproszczona<br />

wersja teoretycznego opisu, która:<br />

• tworzona jest biorąc pod uwagę tylko wybrane fakty<br />

doświadczalne<br />

• przewiduje dalsze fakty, które mogą być zweryfikowane<br />

eksperymentalnie<br />

Trzy najważniejsze modele (nukleony niezależne<br />

lub skorelowane):<br />

• Model gazu Fermiego nukleonów<br />

• Model powłokowy<br />

• Model kroplowy<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 2


Model gazu Fermiego jądra atomowego<br />

Podstawowe fakty:<br />

• Nukleony są fermionami<br />

• Jądra mają dobrze określone rozmiary<br />

• Gęstość materii we wnętrzu jąder jest praktycznie<br />

stała – taka sama dla prawie wszystkich jąder<br />

(ρ 0 ≈ 0.17 nukleonów/fm 3 )<br />

• Energia wiązania nukleonu jest w przybliżeniu stała<br />

dla wszystkich jąder ( E B ≡ BE ≈ 8 MeV/nukleon)<br />

Pełna funkcja falowa jądra (A nukleonów;<br />

zmienne położeniowe/pędowe, spinowe,<br />

izospinowe) musi być w pełni antysymetryczna<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 3


Model gazu Fermiego c.d. #1<br />

Określona objętość i gęstość → kwantowanie<br />

„w pudle” sześciennym o krawędzi L<br />

• Warunki brzegowe na pęd w jednostkach ħ (fala<br />

periodyczna w sześcianie o krawędzi L; V = L 3 ):<br />

W stanie podstawowym zajęte są wszystkie najniższe<br />

stany pędowe<br />

gdzie k F to tzw. „pęd Fermiego” czyli największa<br />

wartość pędu w zapełnionym stanie<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 4


Model gazu Fermiego c.d. #2<br />

Pęd Fermiego wyznaczany jest z warunku, że liczba<br />

dostępnych, całkowicie wypełnionych stanów równa<br />

jest liczbie masowej jądra A (bo w stanie<br />

podstawowym obsadzane są najniższe stany)<br />

Liczba stanów nukleonowych (4-krotnie zdegenerowanych<br />

ze względu na spin i izospin) wynosi:<br />

Po przyrównaniu do A otrzymuje się:<br />

stąd<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 5


Wnioski z modelu gazu Fermiego<br />

Nukleony we wszystkich jądrach (w stanie podstawowym)<br />

poruszają się „ruchem Fermiego”,<br />

z wektorem pędu o współrzędnych (p x<br />

, p y<br />

, p z<br />

)<br />

jednorodnie rozłożonym wewnątrz kuli o środku<br />

w punkcie (0, 0, 0) i o promieniu równym pędowi<br />

Fermiego, identycznemu dla wszystkich jąder !<br />

Nukleony we wszystkich jądrach (stan podstawowy)<br />

poruszają się z energią kinetyczną<br />

ograniczoną przez „energię Fermiego”<br />

Funkcję gęstości prawdopodobieństwa energii<br />

kinetycznej można wyliczyć z funkcji gęstości<br />

prawdopodobieństwa pędu<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 6


Wnioski z modelu gazu Fermiego c.d.<br />

Stała energia Fermiego ruchu nukleonów w<br />

jądrach oraz stała energia wiązania na nukleon<br />

w jądrze sugeruje możliwość oszacowania<br />

średniego potencjału oddziaływania nukleon -<br />

jądro<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 7


Jądrowy efekt Ramsauera<br />

<br />

oscylacje całkowitego przekroju czynnego neutron - jądro w funkcji<br />

energii neutronu (interpretowane jako interferencja fali neutronów<br />

penetrujących jądro, a więc modyfikowanej przez potencjał jądra<br />

i fali neutronów omijających jądro) potwierdzają doświadczalnie<br />

istnienie takiego średniego potencjału nukleon - jądro<br />

n+Cd<br />

n+Ho<br />

n+Pb<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 8


„Człon asymetrii” (N-Z) 2 /A<br />

Model gazu Fermiego pozwala wyjaśnić pochodzenie<br />

i postać wyrazu „asymetrii n-p” we wzorze na energię<br />

wiązania jądra<br />

Energia kinetyczna wszystkich nukleonów to suma ich<br />

energii na wszystkich zajętych stanach:<br />

Rozwijając w szereg względem :<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 9


„Człon asymetrii” (N-Z) 2 /A c.d.<br />

Po wstawieniu tego rozwinięcia do wzoru na<br />

energię kinetyczną<br />

• Pierwszy wyraz zmniejsza objętościową energię<br />

wiązania; stąd<br />

• Drugi wyraz to „energia asymetrii” osłabiająca wiązanie<br />

jądra, które ma różne liczby neutronów i protonów<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 10


Model kroplowy jądra<br />

W analogii do naładowanej kropli cieczy:<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 11


Model kroplowy jądra<br />

Masy i energie wiązania jąder dobrze opisane<br />

przez model zakładający, że jądro zachowuje się<br />

jak kropla naładowanej cieczy – model kroplowy<br />

Stany wzbudzone jąder (następny wykład)<br />

pokazują istnienie kolektywnych wzbudzeń:<br />

● rotacyjnych dla trwale zdeformowanych jąder,<br />

● wibracyjnych dla jąder w przybliżeniu<br />

kulistych,<br />

przy czym mogą to być:<br />

• nisko wzbudzone stany (drgania powierzchni)<br />

• rezonanse gigantyczne (drgania całego jądra)<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 12


Model powłokowy jądra: fakty<br />

Istnienie jąder „magicznych”<br />

Z = 2,8,20,28,50,82 lub/i N = 2,8,20,28,50,82,126<br />

Jądra te:<br />

• Mają maksima w zależności energii wiązania od Z i N<br />

• Są bezspinowe, sferyczne (Q=0) i mają parzystość +<br />

• Mają mniejszy promień niż sąsiednie jądra<br />

• Występują częściej w przyrodzie<br />

• Jądra o Z (lub N) większym o 1 od liczby magicznej mają<br />

skokowo mniejszą energię wiązania nukleonu danego typu<br />

• Energia rozpadu alfa jest większa gdy cząstka alfa jest<br />

zbudowana z nukleonów poza zamkniętą powłoką<br />

• Przekrój czynny na wychwyt neutronu dla jąder z N=50,82<br />

i 126 jest kilkadziesiąt razy mniejszy niż dla sąsiednich<br />

jąder<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 13


Model powłokowy „jednocząstkowy”<br />

Model ten (najprostszy) zakłada, że nukleony poruszają<br />

się niezależnie w potencjale zawierającym trzy człony:<br />

• jądrowy (silny) potencjał centralny<br />

• potencjał kulombowski (protony)<br />

• potencjał spin-orbita<br />

Bardziej zaawansowane wersje modelu powłokowego<br />

(„wielocząstkowy model powłokowy”) dodają do<br />

powyższego „średniego” potencjału jednocząstkowego<br />

„oddziaływania resztkowe” różnego typu, np.<br />

oddziaływanie dwójkowania<br />

Model powłokowy proponuje najbardziej ogólne i<br />

zaawansowane podejście do teoretycznego opisu jądra<br />

Wymaga wyrafinowanych i skomplikowanych rachunków<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 14


Potencjał centralny<br />

Bardzo chętnie używa się potencjału oscylatora<br />

harmonicznego<br />

gdzie V 0<br />

i R są parametrami<br />

Dla cząstki o masie M używa się równoważnego<br />

wzoru<br />

gdzie<br />

Wielką zaletą tego potencjału jest fakt, że można<br />

z nim ściśle rozwiązać równanie Schrödingera<br />

i używać funkcji falowych w analitycznej postaci<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 15


Centralny potencjał oscylatora<br />

<br />

Mimo prostoty daje funkcje<br />

falowe w obszarze jądra<br />

bardzo podobne do bardziej<br />

realistycznych potencjałów,<br />

które wymagają złożonych,<br />

numerycznych rachunków<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 16


Energie własne<br />

Oscylator 3-wymiarowy<br />

Główna liczba kwantowa N wyraża się przez<br />

• wsp. kartezjańskie<br />

• wsp. sferyczne<br />

to radialna liczba kwantowa<br />

to orbitalna liczba kwantowa (kręt orbitalny)<br />

to liczba zer radialnej funkcji falowej (bez zera dla<br />

r = 0 i nieskończoności)<br />

Liczba orbitalna spełnia (także dla innych centralnych<br />

potencjałów):<br />

• relację<br />

• „l” ma tę samą parzystość co „N”<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 17


Poziomy energetyczne<br />

Poziomy energetyczne w potencjale (centralnym i/lub<br />

kulombowskim) oznacza się podając:<br />

• Główną liczbę kwantową (N) i orbitalną (l)<br />

• Symbol krętu orbitalnego poprzedzony liczbą radialną<br />

przy czym stosuje się tradycyjne przyporządkowania<br />

liter do wartości „l”:<br />

l=0 ↔ s, l=1 ↔ p, l=2 ↔ d, l=3 ↔ f, a dalsze<br />

zgodnie z alfabetem (l=4,5,6 … ↔ g,h,i,...)<br />

np. ”1p” oznacza, że liczba radialna „n r<br />

” = 1 oraz l=1<br />

Warto zapamiętać, że wartość liczby radialnej podaje,<br />

który raz dana wartość „l” pojawia się wśród stanów<br />

(licząc od najniższej energii)<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 18


Poziomy energetyczne oscylatora<br />

Każdy poziom oscylatora harmonicznego jest<br />

zdegenerowany D(N) = ½(N+1)(N+2) razy, a dla<br />

nukleonu, biorąc pod uwagę spin, 2•D(N) razy<br />

N<br />

5<br />

D(N)<br />

21<br />

2•D(N)<br />

42<br />

N<br />

∑ 2•D(N’ )<br />

N’=0<br />

112<br />

<br />

4<br />

15<br />

30<br />

70<br />

<br />

3<br />

10<br />

20<br />

40<br />

<br />

2<br />

6<br />

12<br />

20<br />

<br />

1<br />

3<br />

6<br />

8<br />

<br />

0<br />

1<br />

2<br />

2 <br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 19


Poziomy w potencjale Saxona-Woodsa<br />

Każdy poziom o liczbie kwantowej l jest zdegenerowany<br />

D(l) = (2l+1) razy, a dla nukleonu, biorąc pod uwagę<br />

spin, 2•D(l) razy (nie znika degeneracja względem l)<br />

N<br />

5<br />

4<br />

3<br />

2<br />

1<br />

możliwe l<br />

N=2(n r -1)+l<br />

1,3,5<br />

0,2,4<br />

1,3<br />

0,2<br />

1<br />

3p<br />

2f<br />

1h<br />

3s<br />

2d<br />

1g<br />

2p<br />

1f<br />

2s<br />

1d<br />

1p<br />

stany n r „l”<br />

2•D(l) ∑ 2•D<br />

6 14<br />

22<br />

2 10<br />

18<br />

6<br />

14<br />

2<br />

10<br />

6<br />

112 106<br />

92<br />

70 68<br />

58<br />

40<br />

34<br />

20<br />

18<br />

6<br />

0<br />

0<br />

1s<br />

2<br />

2<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 20


Liczby magiczne – zamknięte powłoki<br />

Potencjał centralny oscylatora<br />

harmonicznego lub Saxona-Woodsa<br />

generuje stany o określonej liczbie<br />

obsadzeń nukleonowych<br />

Trzy pierwsze zamknięte powłoki<br />

odpowiadają liczbom magicznym:<br />

• N=0 ↔ liczba stanów: 2<br />

• N=1 ↔ liczba stanów: 6 (+2 = 8)<br />

• N=2 ↔ liczba stanów: 12 (+8 = 20)<br />

ale dalej zgodność znika<br />

Aby odtworzyć dalsze liczby magiczne potrzebny jest<br />

potencjał spin – orbita<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 21


To potencjał postaci:<br />

Potencjał spin-orbita<br />

gdzie f(r) bierze się jako<br />

pochodną funkcji Fermiego<br />

(potencjału Woodsa-Saxona)<br />

potencjał V sl działa<br />

na powierzchni jądra<br />

Wartości własne operatora to<br />

Przy czym dla s = ½<br />

wartości własne to:<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 22


Działanie potencjału spin-orbita<br />

Rozszczepienie poziomów krętu orbitalnego l > 0<br />

na dwa, odpowiadające różnym wartościom krętu<br />

całkowitego j, o degeneracji D( j) = (2j+1)<br />

Z doświadczenia wiadomo, że (pod-)poziomy z<br />

większą wartością , czyli j = l + ½ , leżą niżej niż<br />

(pod-)poziomy z j = l –½<br />

Po uwzględnieniu<br />

potencjału spin orbita<br />

do opisu poziomu<br />

dodaje się wartość „ j”<br />

jako dolny wskaźnik,<br />

np. 1s 1/2<br />

, 1p 3/2<br />

, 1d 5/2<br />

D(j) ∑D<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 23


Schemat poziomów jednocząstkowych<br />

126<br />

82<br />

50<br />

28<br />

20<br />

8<br />

2<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 24


Schemat poziomów jednocząstkowych<br />

126<br />

82<br />

50<br />

28<br />

20<br />

8<br />

2<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 25


Wnioski z modelu powłokowego 1-cząstk.<br />

Odtworzone spiny i parzystości jąder (stany<br />

podstawowe jąder parzysto-parzystych oraz<br />

stany podstawowe i pierwsze wzbudzone jąder<br />

nieparzystych)<br />

p<br />

n<br />

11 C<br />

p<br />

n<br />

1p 1/2<br />

1p 3/2<br />

1p 1/2<br />

1p 3/2<br />

1s 1/2<br />

0 +<br />

1s 1/2<br />

stan podstawowy<br />

I P = (3/2) –<br />

stan wzbudzony<br />

I P = (1/2) –<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 26


Wnioski z modelu powłokowego 1-cząstk.<br />

Odtworzone spiny i parzystości jąder (stany<br />

podstawowe jąder parzysto-parzystych oraz<br />

stany podstawowe i nisko-wzbudzone jąder<br />

nieparzystych)<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 27


Wzbudzone stany jednocząstkowe<br />

Wszystkie stany 17 O<br />

z podanym spinem to<br />

stany 1-cząstkowe<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 28


Niskie stany jąder zwierciadlanych<br />

17<br />

O = 16 O + n<br />

17<br />

F = 16 O + p<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 29


Budowa niskich stanów 17 O i 17 F<br />

Najniższe stany (5/2 + i 1/2 + ) : nukleon spoza<br />

zamkniętej podwójnej powłoki jądra 16 O obsadza<br />

poziomy 1d 5/2<br />

i 2s 1/2<br />

; on określa spin i parzystość<br />

Stan 1/2 – : para o spinie 0 + na powłoce 1d 5/2<br />

oraz<br />

pojedynczy nukleon na powłoce 1p 1/2<br />

; ten nukleon<br />

decyduje o spinie i parzystości stanu jądra<br />

Stany 5/2 – i 3/2 – : mają bardziej skomplikowaną<br />

budowę (spin jest „sumą” 3 spinów 1/2, 5/2, 1/2) ;<br />

parzystość określona przez nukleon na powłoce<br />

1p 1/2<br />

, bo powłoki 1d 5/2<br />

i 2s 1/2<br />

mają parzystość +<br />

Stan 3/2 + : powstaje przez przeniesienie nukleonu<br />

z powłoki 1d 5/2<br />

na powłokę 1d 3/2<br />

; ten nukleon<br />

określa własności stanu<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 30


Wnioski z modelu powłokowego 1-cząstk.<br />

Odtworzone spiny i parzystości wielu stanów<br />

Dla ciężkich jąder (oddalonych od podwójnie<br />

magicznego 208 Pb) brak zgodności.<br />

Trwała deformacja jąder ciężkich z A ~ 150<br />

Próba odtworzenia momentów magnetycznych<br />

daje umiarkowany sukces z wyjątkiem jąder o liczbie<br />

nukleonów różniącej się od liczby magicznej o 1<br />

Podobny wynik dla momentów kwadrupolowych<br />

Poprawa uzyskana poprzez włączenie w modelu<br />

oddziaływania resztkowego<br />

• oddziaływanie krótkozasięgowe –dwójkowanie<br />

• oddziaływanie długozasięgowe – deformacje jąder<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 31


Model kroplowy jądra<br />

Masy i energie wiązania<br />

jąder dobrze opisane przez<br />

model zakładający, że jądro<br />

zachowuje się jak kropla<br />

naładowanej cieczy<br />

Stany wzbudzone jąder pokazują istnienie<br />

kolektywnych wzbudzeń:<br />

● rotacyjnych dla trwale zdeformowanych jąder<br />

● wibracyjnych dla jąder w przybliżeniu kulistych<br />

• nisko wzbudzone stany (drgania powierzchni)<br />

• rezonanse gigantyczne (drgania całego jądra)<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 32


Uogólniony model jądra atomowego<br />

Jądro traktowane jako chmura nukleonów krążąca<br />

w średnim potencjale<br />

Średni potencjał może być sferyczny, ale także trwale<br />

zdeformowany lub może zależeć od czasu (wibracje)<br />

Jeżeli szybkość zmian kształtu pola jest znacznie<br />

mniejsza niż prędkość nukleonów na orbitach to orbity<br />

dostosowują się do zmian pola → samouzgodnienie<br />

Skala energii (odpowiada również odwrotności skali<br />

czasowej):<br />

• Największa – dla stanów jednocząstkowych i<br />

gigantycznych rezonansów<br />

• Pośrednia – dla stanów wibracyjnych<br />

• Najmniejsza – dla stanów rotacyjnych<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 33


Skala energii wzbudzenia stanów<br />

Odległość powłok jednocząstkowych:<br />

• dla 16 O: ~ 15.9 MeV<br />

• dla 208 Pb: ~ 6.8 MeV<br />

Typowa energia wzbudzenia gigantycznych<br />

rezonansów to 10 – 30 MeV ; systematycznie<br />

maleje wraz z masą jądra jak ,<br />

podobnie jak odległość poziomów jednocząstkowych<br />

stąd: gęstość stanów rośnie wraz z masą jądra<br />

Można to interpretować jako zwiększenie liczby<br />

sposobów podziału energii wzbudzenia na większą<br />

liczbę nukleonów<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 34


Energia wzbudzenia:<br />

Gęstość stanów:<br />

(z modelu gazu Fermiego)<br />

gdzie „parametr gęstości”:<br />

Gęstość stanów<br />

Gęstość stanów o określonym spinie:<br />

gdzie uwzględniono fakt, że efektywna energia wzbudzenia jądra<br />

to całkowita energia stanu zmniejszona o energię rotacji jądra dla<br />

określonego spinu (najniższy stan o danym spinie)<br />

oszacowaną przez energię rotacji ciała o momencie bezwładności<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 35


Szerokość stanów<br />

Gęstość poziomów rośnie z A (liczbą masową<br />

jądra) → we wzorze na gęstość wykładnik<br />

eksponenty jest proporcjonalny do „a 1/2 ”, czyli<br />

do A 1/2<br />

Wraz ze wzrostem energii wzbudzenia rośnie<br />

liczba możliwości podziału tej energii na różne<br />

stopnie swobody, a więc szybkość rozpadu stanów<br />

rośnie → średnia szerokość stanów rośnie<br />

Te dwa efekty powodują, że przy wysokich<br />

energiach wzbudzenia i ciężkich jądrach stany<br />

wzbudzone przekrywają się<br />

Można interpretować to jako skutek łatwego przechodzenia<br />

z jednego stanu do innych o zbliżonej energii<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 36


Rezonanse gigantyczne<br />

Gigantyczne rezonanse obserwowane są dla<br />

wszystkich jąder atomowych<br />

Typowe energie wzbudzenia to 10 – 30 MeV<br />

Typowa szerokość to kilka MeV<br />

Energia wzbudzenia i szerokość gładko zmieniają<br />

się z liczbą masową A, co interpretowane jest jako<br />

wskazówka, że odzwierciedlają one raczej<br />

własności materii jądrowej niż indywidualne<br />

cechy poszczególnych jąder<br />

Interpretuje się je jako drgania całej objętości jądra<br />

przy czym różne typy drgań klasyfikuje się podając<br />

trzy liczby: spin S, kręt orbitalny L i izospin T<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 37


Klasyfikacja gigantycznych rezonansów<br />

Ze względu na spin<br />

• ΔS=0 to rezonanse elektryczne: kwanty gamma, przez<br />

które GR deekscytują mają takie własności jak momenty<br />

elektryczne, tzn. unoszą parzystość ,<br />

a spin nukleonów nie odwraca się podczas drgań<br />

• ΔS=1 to rezonanse magnetyczne: tu ,<br />

a spin nukleonów odwraca się podczas drgań<br />

Ze względu na orbitalny moment pędu<br />

L=0 monopolowe, L=1 dipolowe,<br />

L=2 kwadrupolowe, L=3 oktupolowe, itd.<br />

Ze względu na to czy protony drgają w fazie z<br />

neutronami (T=0, izoskalarne), czy w antyfazie<br />

(T=1, izowektorowe)<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 38


Klasyfikacja gigantycznych rezonansów<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 39


Gigantyczne rezonanse monopolowe<br />

Elektryczny (ΔS=0), monopolowy (L=0),<br />

izoskalarny (T=0)<br />

● Inne oznaczenie to E0, T=0<br />

Elektryczny (ΔS=0), monopolowy (L=0),<br />

izowektorowy (T=1)<br />

● Inne oznaczenie to E0, T=1<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 40


Gigantyczne rezonanse dipolowe<br />

Elektryczny (ΔS=0), dipolowy (L=1),<br />

izowektorowy (T=1)<br />

● Inne oznaczenie to E1, T=1<br />

Elektryczny (ΔS=0), dipolowy (L=1),<br />

izoskalarny (T=0)<br />

NIE MA TAKIEGO REZONANSU bo odpowiadałby<br />

drganiom JĄDRA WZGLĘDEM OBSERWATORA<br />

(neutrony razem z protonami drgałyby w tym samym<br />

kierunku, samorzutne drgania środka masy)<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 41


Gigantyczne rezonanse kwadrupolowe<br />

Elektryczny (ΔS=0), kwadrupolowy (L=2),<br />

izoskalarny (T=0)<br />

● Inne oznaczenie to E2, T=0<br />

Elektryczny (ΔS=0), kwadrupolowy (L=2),<br />

izowektorowy (T=1)<br />

● Inne oznaczenie to E2, T =1<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 42


Gigantyczne rezonanse oktupolowe<br />

Elektryczny (ΔS=0), oktupolowy (L=3),<br />

izoskalarny (T=0)<br />

● inne oznaczenie to E3, T=0<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 43


Gigantyczne rezonanse magnetyczne<br />

Magnetyczny (ΔS=1), dipolowy (L=1),<br />

izoskalarny (T=0)<br />

● Nazywany również „rezonansem<br />

Gamowa-Tellera” (M1, T=0)<br />

Obserwowano także inne rezonanse,<br />

np. M0 (magnetyczny monopolowy), M2 (magnetyczny<br />

kwadrupolowy), itd.<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 44


Stany wibracyjne<br />

Nisko położone stany jąder parzysto-parzystych często<br />

mają sekwencję spinów i parzystości wskazujących na<br />

złożenie kwantów drgań kwadrupolowych (2 + ):<br />

najniższy stan 0 + , następny 2 + (1 kwant), dalej 3 stany:<br />

0 + ,2 + ,4 + (2 kwanty), 5 stanów: 0 + ,2 + ,3 + ,4 + ,6 + (3 kwanty)<br />

Przykład: jądro 120 Te<br />

(stan 3 – jednofononowy<br />

oktupolowy)<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 45


Stany wibracyjne c.d.<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

Drgania powierzchni jądra<br />

Drgania kwadrupolowe są najczęściej<br />

spotykane (polegają na zmianie<br />

kształtu jąder sferycznych lub prawie<br />

sferycznych na jądra o kształcie<br />

elipsoidy obrotowej)<br />

Prawie zawsze jest to elipsoida<br />

wydłużona wzdłuż osi symetrii<br />

Drgania wzdłuż osi symetrii to<br />

„β wibracje”<br />

Drgania prostopadłe do osi symetrii to<br />

„γ wibracje”<br />

Obok drgań kwadrupolowych mogą<br />

występować drgania o wyższym kręcie<br />

np. oktupolowe (stan 3 – )<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 46


Kolektywny charakter stanów<br />

Dipolowe momenty magnetyczne wzbudzonych<br />

stanów różnią się zdecydowanie od „sąsiadów”<br />

Duże (co do modułu) elektryczne momenty<br />

kwadrupolowe<br />

Sekwencja stanów typowa dla drgań wibracyjnych<br />

(harmonicznych, równo odległe stany) lub rotacji<br />

(energia stanów rośnie proporcjonalnie do<br />

kwadratu spinu ~ I(I+1))<br />

Stosunkowo niewielkie energie najniższych stanów<br />

wzbudzonych<br />

• Dla jąder nieparzystych znacznie mniejsze od różnicy<br />

energii stanów jednocząstkowych<br />

• Dla jąder parzystych mniejsze od energii potrzebnej do<br />

rozerwania pary nukleonów<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 47


Moment dipolowy pierwszego stanu 2 +<br />

Jądra bliskie podwójnie magicznym (C, Ca, Ni, Zr, Sn,<br />

Pb), dla których stany są zbliżone do 1-cząstkowych,<br />

mają inne momenty dipolowe niż pozostałe jądra, dla<br />

których dominują efekty kolektywne<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 48


Moment kwadrupolowy stanu 2 +<br />

Jądra o liczbie masowej A>150 mają znacznie większe<br />

(co do modułu) momenty kwadrupolowe niż pozostałe<br />

jądra<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 49


Energia wzbudzonego stanu 2 +<br />

Energia pierwszego stanu dla jąder parzysto-parzystych<br />

o A>150 jest wielokrotnie mniejsza od energii stanów dla<br />

jąder w pobliżu jąder magicznych i nie zmienia się z A<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 50


Stosunek E 1 (4 + ) / E 1 (2 + )<br />

Stosunek energii pierwszego stanu 4 + do pierwszego<br />

stanu 2 + jest różny dla stanów jednocząstkowych (


Stany rotacyjne<br />

Trwale zdeformowane jądro ma<br />

całkowity spin I, który jest sumą<br />

spinu wewnętrznego J i krętu<br />

rotacji R<br />

Ważnym parametrem jest rzut<br />

K spinu wewnętrznego J na<br />

oś symetrii jądra<br />

W mechanice kwantowej tylko<br />

obrót dokoła osi prostopadłej<br />

do osi symetrii ma sens<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 52


Energia stanów rotacyjnych<br />

Dla K≠1/2 (ħ=1)<br />

Dla K=1/2<br />

gdzie „a” jest parametrem<br />

W powyższych wzorach i zmienia się<br />

o 1 od stanu do stanu<br />

Jeśli K=0 i jądro jest symetryczne względem<br />

odbicia w płaszczyźnie prostopadłej do osi symetrii,<br />

wtedy zmienia się o 2, przyjmując wartości<br />

0,2,4,… lub 1,3,5, … (zależnie od czynnika<br />

fazowego dla funkcji falowej przy odbiciu)<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 53


Struktura pasm rotacyjno-wibracyjnych<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 54


Trzy pasma rotacyjne 164 Er<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 55


Pasma rotacyjne 152 Dy<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 56


Widmo kwantów gamma dla 152 Dy<br />

Dla pasm rotacyjnych energie kwantów gamma przy<br />

przejściach między kolejnymi stanami zależą liniowo od<br />

spinu stanów co daje charakterystyczny układ pików<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 57


Podstawy Fizyki Jądrowej<br />

Do zobaczenia za tydzień<br />

Wykład 11 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 58

Hooray! Your file is uploaded and ready to be published.

Saved successfully!

Ooh no, something went wrong!