BUDOWA MATERII I ODDZIAŁYWANIA W PRZYRODZIE
Makroświat > ~mm
Atom ~10-10 m (1 Å = 10-10 m)
Jądro atomowe ~10-15 m (1 fermi = 1 fm = 10-15 m)
Jądro
Powłoki atomowe
Jądro – atom ® analogia makroskopowa
Jądro atomowe ® układ związany nuklenów (protonów – p i neutronów - n)
Proton
1. Masa = 1.67252 *10-27 kg = 1.0078 amu
Jednostka masy atomowej (j.m.a.) lub angielska nazwa atomic mass unit (amu) ® 12C = 12.000 amu
1 amu = 1.66 *10-27 kg
2. Ładunek = 1.6021 *10-19 C = ładunek elementarny - +1
Przykład: reflektor samochodowy – światła drogowe
- ~4.5 C/s
3. Spin
K
ω
Makroobiekt
Moment pędu (kręt) ® K
K = L*w
L – moment bezwładności, w - prędkość kątowa
Mikroobiekt (p. n, jądro, atom cząsteczka)
Kręt względem osi przechodzącej przez mikroobiekt = spin
Dla mikroobiektów - mechanika kwantowa - wielkości fizyczne są skwantowane
Wartość bezwzględna wektora krętu
h = 6.63*10-34 J*s - stała Plancka; S – spinowa liczba kwantowa
Spin protonu = ½
4. Moment magnetyczny
Pole magnetyczne wytworzone przez pętlę z prądem (Biota-Savarta)
Mikroobiekt
Moment magnetyczny mikrocząstki
mp = constant*K
W praktyce momenty magnetyczne jąder wyrażamy w tzw. magnetonach jądrowych
mJ = (e*h)/(4p*mp*c)
mp = 2.79275 magnetonów jądrowych
neutron
1. Masa = 1.0087 amu > masa protonu,
2. Ładunek = 0,
3. Spin = 1/2,
4. Moment magnetyczny mn = -1.9128 magnetonów jądrowych
Problem:
Co oznacza, że n ma ujemny moment magnetyczny ?
Jądro atomowe
Co powoduje, że X protonów i Y neutronów tworzy związany?
Oddziaływania w przyrodzie:
1) Grawitacyjne
2) Elektromagnetyczne
3) Jądrowe słabe (krótkozasięgowe ~1 fm )
4) Jądrowe silne (krótkozasięgowe ~1 fm)
Siły jądrowe – przyciągające – układy związane
Układy związane - stabilne lub metastabilne analogia do możliwych stanów równowagi w makroświecie
W makroświecie występują stany równowagi
1. trwałej
2. nietrwałej
Energia potencjalna ® wielkość fizyczna do rozróżnienia stanów równowagi w makroświecie
Równowaga trwała – stan o najniższej energii potencjalnej ® analogia człowiek leżący i stojący
Mikroobiekty
RADIOAKTYWNYY
METASTABILNY
STABILNY
~1500 nuklidów - ~270 jest stabilnych – reszta radioaktywna
Dla określenia stopnia stabilności wprowadzam pojęcie energii wiązania
Energia wiązania ® energia którą muszę dostarczyć aby rozbić układ
Przykład ® jądro helu 4He (cząstka a)
2*mp = 2.0156 [masa] = amu
2*mn = 2.0174
+ = 4.0330
-
mHe = 4.0026
Dm = 0.0304 amu
Defekt masy Dm = (suma mas p i n) - masa jądra
Dm wyrażone w jednostkach energii nazywamy energią wiązania jądra atomowego (EB)
Przeliczenie Dm na energie ® relacja Einsteina
E = mc2
Jednostka energii w mikroświecie ® 1 eV = 1.601*10-19 J
keV, MeV, GeV
1 amu = 931 MeV
4He – Dm = 28.3 MeV
Konwencja:
Energia dostarczona do układu jest dodatnia ® energia wiązania (EB) jest ujemna
Charakterystyka jąder atomowych
1) Masa jądra – liczba masowa (M, A) = ([suma mas p i n] – [defekt masy - Dm]) - wyrażamy w amu
2) Ładunek jądra = suma ładunków protonów - liczba atomowa (Z)
Uwaga:
W przyrodzie występują jądra zawierające maksymalnie 106 protonów
1H (proton), 12C, 60Co, 131I ..., (H-1, C-12, Co-60, I-131 ...)
Izotopy = identyczne Z ale różne A; wodór – 3 izotopy (1H, 2H = d, 3H = T) a jod 23 izotopy (Z = 53, A = 117 ¸ 139)
1) izotopy nie muszą być radioaktywne
2) pierwiastki w przyrodzie – mieszanina izotopów, Fe – A = 55.847
Izobary = identyczne A (29Al, 29Si, 29P, 29S; 131I, 131Xe)
Izotony = identyczna liczba neutronów
3) Spin jądra atomowego = skomplikowana suma spinów nukleonów - (0 ¸9/2)
Jądra o parzystej liczbie protonów i neutronów (12C, 16O)
S = 0
Jądra o nieparzystej liczbie nukleonów (1H, 13C, 19F, 31P)
S = połówkowy (1/2, 3/2, ...)
4) Moment magnetyczny jądra ® mogę prosto obliczyć
mjądra = constant*K
1) podajemy maksymalną wartość momentu magnetycznego – nic nie wiadomo o jego orientacji w przestrzeni
2) K = 0 to moment magnetyczny = 0
...
pajro