Fördjupningsprojekt, 1,5 Hp Atom- och kärnfysik med tillämpningar, HT- 12. Ämnen att välja fritt bland

Transkript

1 Fördjupningsprojekt, 1,5 Hp Atom- och kärnfysik med tillämpningar, HT- 12 Studierna utförs och redovisas parvis. Ni väljer fritt ämne bland förslagen i listan nedan. Det är inget hinder om två eller fler par vill fördjupa sig inom samma ämne (dock max 5 par/ämne). Senast fredag 19/10 ska ni meddela till kursansvarig inom vilket projekt ni valt att fördjupa er. (Förslagsvis via e- mail till claes-goran.wahlstrom@fysik.lth.se.) Därefter kontaktar ni själva, senast 12/11, den som är angiven som projektets kontaktperson för inledande diskussion och vägledning. Redovisningarna äger rum den 27/11 i form av pedagogiska och intresseväckande föredrag på en nivå som lämpar sig för kurskamraterna i auditoriet. Senast några dagar innan redovisningarna ska er presentation förevisas för kontaktpersonen som då kontrollerar att inga missförstånd förs vidare och att presentationen har ett pedagogiskt genomtänkt upplägg. Ämnen att välja fritt bland Atomer i förbränning! Hur studerar vi dem? Vid förbränning sker reaktioner mellan bränsle och luft till framförallt koldioxid och vatten. Men det bildas också fria atomer i olika steg i reaktionskedjan. Uppgiften är att ta reda på mer om hur de bildas och hur vi med laserteknik kan detektera dem baserat på kunskap om atom- och kvantfysik. - -Per-Erik Bengtsson, Förbränningsfysik (per-erik.bengtsson@forbrf.lth.se) Laser-inducerad fluorescens för att studera förbränning I förbränningsprocesser bildas atomer och molekyler, ofta endast som mellansteg i reaktionskedjan. Hur kan laser-inducerad fluorescens användas för att förstå vad som sker under förbränning? -Zhongshan Li, Förbränningsfysik (zhongshan.li@forbrf.lth.se) Spektroskopi och astrofysik Det mesta vi vet om temperatur, densitet, rotation, magnetfält, ämnesförekomst, mm, hos stellära objekt och interstellära media kommer via elektromagnetisk strålning (röntgenstrålning, ljus, radiovågor). Via spektroskopisk analys av denna strålning, och noggranna jämförelser med laboratoriedata och atomfysikalisk teori, byggs en kontinuerligt växande kunskap upp om vårt universums struktur och historia. -Claes-Göran Wahlström, Atomfysik Molekylspektroskopi. Inläsning av teorin för rotations- och vibrationsspektra (ev lite om de elektroniska tillstånden) samt analys av ett CO-spektrum registrerat med en Fouriertransform-interferometer. Tolkningen av spektra innebär enkel Matlabprogrammering. -Lars Engström, Atomfysik Fördjupat studium av kvantdefektformalismen. Inläsning av Ritz- och Polarisationsmetoderna. Analys av experimentella data. Matlabprogrammering. Användning av multipel linjär regression. -Lars Engström, Atomfysik Kvantdatorer För många beräkningsproblem ökar antalet operationer som krävs för att lösa problemet exponentiellt med antal bitar som krävs för att representera indata. För vissa sådana problem visar det sig att om de skulle köras på en så kallad kvantdator finns det algoritmer där antalet operationer som krävs för att lösa problemet bara ökar som en polynomfunktion med antal bitar hos indata. För stora problem av denna typ är antalet operationer som krävs för att lösa problemet med en vanlig dator många storleksordningar större än antalet operationer som skulle krävas på kvantdator. Vad är en kvantdator? Varför är den så kraftfull? Hur bygger man den och vad är det egentligen som är svårt med att bygga en kvantdator. En bra startpunkt för det här projektet kan till exempel vara att kolla upp "introductory tutorials" på -Stefan Kröll, Atomfysik 1

2 Zeno effekten Kvantmekaniken kan tyckas säga att vi inte kan mäta en storhet utan att påverka den. I själva verket finns det ett antal icke-förstörande (" quantum non-demolition") mätningar. En typ av sådana mätningar baseras på Zeno effekten, jfr. En kvantmekanisk variant av Zeno-effekten som ofta refereras till i populära sammanhang är att man vill ta reda på om det finns en farlig bomb eller inte på en plats. Problemet är att bomben exploderar så fort den träffas av en foton (se t.ex Genom att ställa upp en listigt vald mätuppställning går det ändå att använda fotoner för att detektera om bomben finns på den aktuella platsen utan att den exploderar. Hur är detta möjligt, vad är den kvantmekaniska Zeno-effekten och hur fungerar så kallade "quantum non-demolition" mätningar? Ja det är vad man skall reda ut i det här projektet. En startreferens är - Atomfysik -Stefan Kröll, Atomfysik Kvantteleportation Kvantmekaniken säger att vi i det allmänna fallet inte kan få fullständig information om ett okänt kvanttillstånd och kvantmekanikens lagar säger också att det, i det allmänna fallet, inte heller är möjligt att göra en helt korrekt kopia av ett okänt kvanttillstånd. Trots att vi varken kan mäta eller kopiera ett okänt kvanttillstånd finns det ändå en teknik för att från ett okänt kvanttillstånd återskapa ett exakt likadant tillstånd, på en ny plats i tiden och i rummet. Denna process kallas kvantteleportation. Inom forskningen försöker man teleportera allt mer komplicerade objekt (även om vi har mycket långt kvar till Michael Crichtons Timeline ). Projektet går ut på att förklara hur kvantteleportation går till. En bra referens är The physics of quantum information, Bouwmeester, Ekert, Zeilinger, Springer Stefan Kröll, Atomfysik Laseracceleration När ljuspulser från en högeffektslaser växelverkar med en gas av fria atomer kan en rad spännande fenomen observeras. Bland annat kan elektroner accelereras till hundratals MeV kinetisk energi på ytterst kort sträcka (~1 mm). Principerna för sådan acceleration och möjliga tillämpningar studeras i detta projekt. -Claes-Göran Wahlström/ Olle Lundh, Atomfysik Fluorescens- och Ramanspektroskopi med medicinska tillämpningar Optisk spektroskopi utvecklas nu för biomedicinska tillämpningar. Forskningen inom detta område inriktar sig framför allt på att identifiera tidiga stadier av cancertumörer i olika organ, samt blodkärlsförändringar som kan ge upphov till bl.a. hjärtinfarkt. Tekniken bygger på att identifiera concentrationen av vissa molekyler i vävnaden som man funnit förekommer i större utsträckning i malign (=cancer) vävnad. Detta rör sig således mer om molekylfysik än om atomfysik. Molekylfysiken bygger emellertid mycket på det Ni lär Er inom atomfysiken. Ni kan således se detta projekt som en introduktion till en medicinsk tillämpning som bygger på atom- och molekylfysik såväl som optik. -Stefan Anderson-Engels, Atomfysik Kvantmekaniska beräkningar I detta projekt ska du använda matlab för att genomföra mer omfattande beräkningar än vad vi gjort på övningarna. Exempel kan tas från både atom- och kärnfysik. Arbetet innebär att man får beräkna matriselement samt diagonalisera matrisen som representerar Hamiltonoperatorn. Naturligtvis ska resultaten analyseras och jämföras med experiment. - Gunnar Ohlén, Matematisk fysik Kvantkrypto Genom att utnyttja sannolikhetskaraktären hos kvantmekaniken kan man på ett mycket fiffigt sätt utnyttja polarisation hos fotoner för att överföra information på ett sätt som omöjliggör avlyssning. - Gunnar Ohlén, Matematisk fysik 2

3 Rotation och vibration. Både molekyler och atomkärnor som är deformerade kan både rotera och vibrera. I uppgiften ingår att kvantnekanisk beskriva dessa båda energiformer samt att med exempel visa på likheter och olikheter i molekylernas och atomkärnornas värld. -Gunnar Ohlén, Matematisk fysik Kvantmekanik och relativitetsteori Denna teoretiska uppgift behnadlar de små effekter som man kan observera i atomspektra på grund av relativistiska effekter. Dessa fenomen kan behandlas med störningsteori alternativt kan den teoretiskt intresserade studera Diracekvationen som är en relativistiskt korrekt version av Schrödingerekvationen. -Gunnar Ohlén, Matematisk fysik Starka växelverkans isospinnsymmetri Protonen och neutronen kan betraktas som två olika kvanttillstånd av nukleonen. Detta kallas för isospinnsymmetri och för påverkan av den starka kraften är denna symmetri en mycket god approximation. Men om symmetrin är giltig, hur kan det då komma sig att np-systemet är bundet (deutronen), medan varken nn- eller pp-systemen existerar? Projektet går ut på att studera isopinnsymmetri, göra en enkel kvantmekanisk beräkning av ett system av två nukleoner, samt att förklara ovan ställda fråga. Exotisk radioaktivitet Förutom alfa-, beta-och gamma-strålning så kan även atomkärnor sönderfalla genom fission. Men en ytterligare sönderfallsmod (som upptäcktes för ca 20 år sedan) är tungjonsönderfall: vissa tunga atomkärnor kan sönderfalla inte bara via utsändandet av en alfapartikel ( 4 He) utan även via en tung jon, som t ex 14 C. Förklara och beskriv detta sönderfallet matematiskt. Vilka tungjonsönderfall är mest troliga? Jämför med experimentella data. Skalstruktur hos kvantprickar En kvantprick uppvisar skalstruktur, dvs egenskaperna, t ex energin, varierar på ett oregelbundet sätt med antalet elektroner som finns i kvantpricken (pss som hos atomen och för nukleonerna i atomkärnan). Dessa oregelbundenheter utgör unika effekter från kvantmekaniken. Ni skall i detta projektet studera skalstrukturen hos en kvantprick. Kvantpricken har en höjd som är mycket mindre än dess radie. Vi kan därför studera en 2D modell av kvantpricken. Ni skall sätta upp och lösa en enkel kvantmekanisk modell av en cirkulär kvantprick. Man kan antingen anta att potentialen är av HO typ eller av "biljardtyp" (det är intressant att jämföra de två modellerna). Eftersom elektronerna är fermioner kan vi i varje kvanttillstånd endast placera två elektroner (två olika spinntillstånd). Om växelverkan mellan elektronerna försummas, kan man enkelt beräkna hur energin varierar med antalet elektroner i kvantpricken. Experimentellt kan man via elektrontransport genom kvantpricken mäta fenomenet. Kärnfysikaliska analysmetoder En viktig tillämpning av kärnfysiken är som tvärvetenskaplig analysmetod. I de här aktuella projekten tas tre olika typer av analyser upp, acceleratormasspektroskopi, jonstråleanalys och aktiveringsanalys. Alla tre metoderna används för att bestämma relativa små halter av isotoper och grundämnen i olika typer av material. I projektet som är en litteraturstudie, skall metod och tillämpningsområde diskuteras. Välj något av följande Kol-14 med AMS Kristina Stenström, Kärnfysik PIXE och RBS Per Kristiansson, Kärnfysik 3

4 Single Ion Hit Facility ett acceleratorbaserat instrument för att studera effekter av jonbestrålning på levande celler Denna teknik gör det möjligt att i detalj studera inte bara direkta effekter av bestrålning, ned till mycket låga doser, men framför allt indirekta effekter hos icke-bestrålade grannceller, s.k. bystandereffekt. Experiment av detta slag syftar till att öka kunskapen om både lågdosbestrålningens eventuella konsekvenser och hur en effektiv cancerterapi kan ske då man både vill ha hög andel tumörcellsdöd och samtidigt skona omgivande frisk vävnad. För mer detaljer se Medicinska tillämpningar av kärnfysiken Några av de mer framgångsrika tillämpningarna av kärnfysiken är inom det medicinska området. I detta projekt väljs en av två speciella tekniker som används och beskrivs både kärnfysikaliskt och medicinskt. Projekten är en litteraturstudie. Välj ett av: PET-tekniken BNCT Astrofysikaliska tillämpningar av kärnfysiken Universums skapelse och utveckling är ett fascinerande ämne. Under denna rubrik har vi formulerat tre projekt med kärnfysikalisk anknytning. Projekten bedrivs som litteraturstudier och presentationen skall speciellt behandla den kärnfysikaliska relevansen för dessa astrofysikaliska frågeställningar. Välj ett av nedanstående två områden. Energiproduktion i stjärnor Elementsyntesen -Per Kristiansson, Kärnfysik Aktuellt inom kärn och partikelfysik Dagens front line forskning inom kärn och partikelfysik bedrivs huvudsakligen inom stora kollaborationer med invecklad apparatur. Under denna rubrik finns flera mycket aktuella projekt att välja mellan. Neutrinons massa aktuell status, detektorsystem, betydelse -Per Kristiansson, Kärnfysik ALICE@CERN Big Bang i laboratoriet Anders Oskarsson, Partikelfysik Sökande efter Higgs vid ATLAS@CERN Else Lytkens, Partikelfysik Interferometri i partikelfysik; att mäta storleken på små volymer Oxana Smirnova, Partikelfysik Supersymmetri, en möjlig beskrivning av naturen - Bernhard Meirose, Partikelfysik Extrahera fysikinformation från partikelidentifiering - Antonio Ortez, Partikelfysik Söka efter mörk materia vid LHC - Torsten Åkesson, Partikelfysik Kärnfysikaliska apparater Stora apparater har varit ett signum för att studera de små kärnorna. Under denna projektrubrik finns exempel på de två vanligaste - acceleratorer och reaktorer Projekten bedrivs som litteraturstudier och presentationen skall speciellt behandla både kärnfysikaliska och tekniska aspekter på apparaterna. Välj mellan Lättvattensreaktorn Acceleratorer cirkulära kontra linjära. 4

5 Nobelprisfysik Dessa projekt behandlar olika Nobelpris i experimentell kärnfysik. Projekten genomförs som litteraturstudier och avsikten är att presentationen skall innehålla bakgrund, förklaring av fysiken och motivering varför det är Nobelprisfysik. Välj något av följande två: Detektion av neutrinon (Reines, 1995) Trådkammaren (Charpak, 1992) -Per Kristiansson, Kärnfysik Samhällsrelaterad kärnfysik Kärnfysiken och tillämpningar av den har ofta varit I hetluften I samhällsdebatten. Nedan ges ett antal idag aktuella ämnen för kärnfysikalisk samhällsanknytning. Projektet består i att förklara rubriken, sammanfatta samhällets olika ståndpunkter och gärna komma med egna åsikter. Välj ett av nedanstående ämnen. Kärnkraft som energikälla i ett svenskt/europeiskt/globalt perspektiv. (Välj ett alternativ!) Vad har fusionen för framtidsutsikter? Chernobyl - varför hände olyckan och vilka konsekvenser fick den? Atombomben - hur fungerar en atombomb och hur har den utvecklats under åren? Hur har de stora satsningar som gjordes för att utveckla atombomben påverkat dagens atom- och kärnfysik? Röntgenlasrar att ta bilder av enskilda molekyler Röntgenljus, dvs. ljus i våglängdsområdet 0,01-10 nm, har många tillämpningar, exempelvis inom medicin och för spektroskopi av de inre atomskalen. Medan traditionella röntgenkällor ger strålning som är inkoherent och relativt långvarigt, läggs idag stora resurser på att utveckla lasrar med våglängder i röntgenområdet, vilka skulle möjliggöra tidsupplöst avbildning med spatiell upplösning ända ned på molekylnivå (~1 Ångström) och tillräcklig tidsupplösning för att följa kemiska reaktioner (~1 femtosekund). Att bygga en laser som fungerar i röntgenområdet är komplicerat, och den teknik som idag verkar vara den bästa kandidaten för detta är den så kallade frielektronlasern. I Kalifornien körs sedan 2009 röntgen-frielektronlasern LCLS med våglängder ner till 1,3 Ångström och en pulslängd på några få femtosekunder, medan en Europeisk röntgenlaser är under uppbyggnad i Hamburg och beräknas komma i drift år Till skillnad från konventionella laboratorielasrar, baseras denna typ av frielektronlaser på en elektronaccelerator, vilket gör att en typisk röntgenlaser är över någon eller några kilometer lång! Inom detta projekt får du sätta dig in i hur en frielektronlaser fungerar, samt få en överblick över de avbildningsexperiment som gjorts, samt vad forskare hoppas kunna göra i framtiden. -Per Johnsson, Atomfysik (per.johnsson@fysik.lth.se) 5