Föreläsning 09 Kärnfysiken: del 1 Storleken och strukturen av kärnan Bindningsenergi Den starka kärnkraften
Strukturen av en kärna Kärnan upptäcktes av Rutherford, Geiger och Marsden år 1909 (föreläsning ) Kärnan består av protoner och neutroner. Terinologi: En kärna ed specifika antal neutroner och protoner är en A nuklid Z X ZAtoisk nuer (antalet protoner) Nneutron nuer (antalet neutroner) AMass-nuer Neutroner och protoner kallas nukleoner AZ+N (9.1)
Kärnstorleken DeBroglievåglängden och diffraktion-önstret av en partikel so genogår en spridning igeno ett föreål avslöjar föreålets struktur. Rutherford använde α-partiklar ed energin 7.7 MeV. Bestä våglängden av α-partiklarna. KE p λ p 4 1.66056 1.8 h p p 4 1.66056-19 kgs 6.63 1.8 34 19 1 7 5.18 7 7.7 15 7.7 Kärnradien är ungefärlig -14! 6 6 1.60 1.60 19 19
Mätningar av spridningen av elektroner, protoner och neutroner användes för att utveckla en ekvation för kärnradien. R 1. A 1 3 f (9.) 1f -15 Volyen V av en sfär R 3 V A Nukleoner växelverkar ed varandra i en vätskedropp-bild!
Den typiska kärnstorleken är -14 Den typiska atostorleken är - Atoen är to likso solsysteet!
Nukleon-assa Vi använder den unified ass constant (u) 1 Man definierar assan av ato 1u u 1.66056 Protonens, neutronens, elektronens assa: 6 C -7 MeV kg 931.5 c p n e 7 MeV 1.6764 kg 0776u. 938.8 c 7 MeV 1.6750 kg 08665u. 939.57 c 31 MeV 9.9 kg 0.000549u 0.511 c
Atoiska assor är edelvärden över olika isotoper. T.ex. Cl-isotoper ed relativ-abundans: 35 17 Cl (75.4%) and Den atoiska 37 17 Cl (4.6%) assan av Chlorin 35u 0.754 + 37u 0.46 35.5u
Fråga Vad är asstätheten av en syreato? 16 8 O 4 3 4π Sfär - volyen V R (1. ) 3 3 M (16 u )(1.6606 Tätheten ρ 43 V 1.16 14 Mer än x vattnet s täthet! 3 A 7 ) 1.16.3 43 17 3 kg -3
E E nukleonern BE n H c bindingsen asskillna a [ Z + N ] H neutron assan och - (9.3) assa, av ergi, den BE ellan assan n Bindningsenergi Kärnassa < Z proton - assa + N x c X en neutral av den totala den stabila (9.4) assan H - ato av neutron En del av assan konverteras till energi för att binda ihop kärnan! assan nukleonen neutral av de A Z ato - seperade X assa Det är lättare att äta en atoisk assa än en kärnassa. Kontributionen av elektronassorna annullerar i ekvationen. X,
Fråga (a) Bestä bindningsenergin av 6. (b) Bestä bindningsenergin per nukleon. 1 C
Bindningsenergin per nukleon fusion fission Vi kan förklara foren av grafen ed fission och fusion (senare!)
En jäförelse av joniserings- och kärnbindningsenergin. Den esta av energin är inne i kärnan!
Kärnenerginivåer Kvantfysiken säger att atoer ed Z,,18,36,54 är stabila på grund av sub-skal och skal so är fyllda. Nukleoner är också spin-1/-partiklar. De ordnas i diskreta energinivåer. Värden av (Z eller N),8,0,8,50 (agic nubers) svarar ot stabila kärnor på grund av fyllda energinivåer. Nuklider ed agic Z och N är jättestabil t.ex.: 4 He, 16 8 O, 40 0 Ca, 48 0 Ca and 08 8 Pb
Segré Graf >3000 upptäckta nuklider en < 300 stabila 80 Z 40 40 80 10 Stabila nuklider kräver en neutronexcess för att inska Coulob-repulsionen ellan protoner.
Den starka kärnkraften F) Varför repellerar inte protonerna varandra? Hur produceras bindningsenergi? S) Det finns en kraft i kärnan so vi inte kan äta på stora distanser : den starka kärnkraften F) Kan vi använda kvantfysiken för att förstå egenskaperna av den där kraften? S) Ja! Ingen fara!
Nukleoner överför den starka kraften till varandra geno att utbyta en partikel, en pion. pion nukleon nukleon Använd Heisenbergs osäkerhetsprincip. Et > h Energin E kan lånas för en tid t innan den återbetalas. Under tiden t kan en pion skapas och resa ellan nukleonerna.
Pion - assa Den lånade energin Växelverkan - tid 135 MeV/ c Kraften kan inte överföras ed hastigheten c t M 3 8 t E h E 3.1 M 3 c.4.4 9 6.63-8 15-8 kg 34 ( 8 3 ) > c 3.1 3 s Därför försvinner den starka kraften utanför kärnan! En er precis beräkning är 6x -16 so är ungefärlig protonens radie. Den starka kraften sker ellan närliggande nukleoner!