slides10fact (1) (Лекции по квантовой микрофизике)

Лекция 10.Строение ядра атома: основныеэкспериментальные факты.Модели строения ядра.Возбуждения ядер.В.Н.Глазков, МФТИ 2019Спонтанные и индуцированныепереходыспонтанныйпереходиндуцированныйпереходспонтанныйбезызлучательныйпереходЕсли спонтанные переходы толькоизлучательные...N фотоновTЕсли спонтанные переходы толькоизлучательные...N фотоновTn1 ( N w инд ) =n 2 [ ( N −1 ) w инд +w сп ]Если спонтанные переходы толькоизлучательные...N фотоновn1 ( N w инд ) =n 2 [ ( N −1 ) w инд +w сп ]удобный пределTT →∞:n1=n2w инд =wспэти вероятности оттемпературыНЕ ЗАВИСЯТЛекция 10.Строение ядра атома: основныеэкспериментальные факты.Модели строения ядра.Возбуждения ядер.В.Н.Глазков, МФТИ 2019Литература по физике ядра●●●Ядерная физика в Интернетеhttp://nuclphys.sinp.msu.ru/Б.С.

Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. ЮдинЧастицы и атомные ядраhttp://nuclphys.sinp.msu.ru/books/b/ikyu.htmВ.В.Варламов, Н.Г.Гончарова, Б.С.ИшхановФизика ядра и банки ядерных данныхhttp://nuclphys.sinp.msu.ru/ndb/Способы изучения ядер«Наблюдение»●●●●масс-спектроскопиярадиоактивныераспадыспектроскопия гаммаизлучения,мессбауэровскаяспектроскопия, ЯМР....«Активный эксперимент»●●●рассеяние частицускорительныеэксперименты....Опыты Резерфорда (ГейгераМарсдена)1:10,000 частицотклонение набольшие углы!Опыт Гейгера-Марсдена (по статье H.Geiger and E.

Marsden, On a DiffuseReflection of the α– Particles., 1909). AB трубка с источником альфа-частиц, P свинцовый экран, RR - отражающаяфольга, S - сцинциляционный экран, M-микроскоп.Разновидность опыта Резерфорда R - источникрадиации, F - фольга, M - микроскоп ссцинциллирующим экраном. chemteam.info, Rutherford'sExperiment - Part II: The Paper of 1911, 2016,http://www.chemteam.info/AtomicStructure/RutherfordModel.htmlВ опытах изучалось рассеяние альфа-частиц на фольге из разных материалов (Al, Fe, Cu,Ag, Sn, Pt, Au, Pb). Золото оказалось наиболее удобным материалом, так как позволялоизготавливать однородную очень тонкую фольгу до 0.086 мкм.Размеры ядра: эксперименты смюонными атомамиточечное ядроr0 =ℏ22Z me2 41 2 2 1 mZ eRy= mc α =22 ℏ2Размеры ядра: эксперименты смюонными атомамиточечное ядроr0 =ℏ22Z me1 2 2 1 m Z2 e4Ry= mc α =22 ℏ2Замена электрона на мюон(208 me), Z~50...80:E≃10 MeVЭксперимент (Fitch, Rainwater1953):PbРазмеры ядра: эксперименты сE теор ( 2p→1s)=16.41MeVмюоннымиатомамиE эксп (2p →1s)=6.02 MeVточечное ядроr0 =ℏ22Z me1 2 2 1 m Z2 e4Ry= mc α =22 ℏ2Замена электрона на мюон(208 me), Z~50...80:E≃10 MeVЭксперимент (Fitch, Rainwater1953):PbРазмеры ядра: эксперименты сE теор ( 2p→1s)=16.41MeVмюоннымиатомамиE эксп (2p →1s)=6.02 MeVточечное ядроr0 =ℏ22Z me1 2 2 1 m Z2 e4Объясняется неточечностьюRy= mc α =222ℏзаряда ядра.Размер «заряженнойсферы»Заменаэлектрона на мюон(208 me), Z~50...80:−15r яд=1.2×10мE≃10 MeVЭксперимент (Fitch, Rainwater1953):PbРазмеры ядра: эксперименты сE теор ( 2p→1s)=16.41MeVмюоннымиатомамиE эксп (2p →1s)=6.02 MeVточечное ядро22hchmcmcточечноеядроλ≈ ==ΛE mc2 EEℏr0 =2Для “микроскопа”сZ meразрешением1 2 2 11mфмZ 2 нужныe4Объясняется неточечностьюRy= mc αс =электроныэнергией2 около22заряда ядра.1 ГэВ ℏРазмер «заряженнойсферы»Заменаэлектрона на мюон(208 me), Z~50...80:−15r яд=1.2×10мE≃10 MeVДифракция электронов на ядреХофштадтер (1961)Аналогия — дифракция наотверстии/круге.С уменьшением длиныволны развиваетсядифракционная картина...из нобелевской лекции ХофштадтераРазмеры ядраХофштадтер (1961)δR0из нобелевской лекции ХофштадтераРазмер ядра соответствуетмодели “несжимаемоговещества”R0≈1.1...1.3 √3 A фмδ≃2.4 фмНеупругие процессы в ядреE пад =187 MeVХофштадтер (1961)Θ=800~4 МэВМасштабвнутриядерных энергий1...10 МэВиз нобелевской лекции ХофштадтераСуществование протонов в ядре(Резерфорд и Содди, Блэккет)Из атома азота выбит протон (тонкийслед)147N + 42 He → 11 p+ 178 OТрек альфа-частицы при взаимодействии с атомом азота.

Источник частиц снизу по фотографии, наблюдается "развилка" на самом левом треке.P. M. S. Blackett, The Ejection of Protons from Nitrogen Nuclei, Photographed by the Wilson Method, Proc. R. Soc. Lond. A , 107, 349 (1925)Резерфорд и Содди – нобелевские лауреаты по химии (1908, 1921), Блэккет – пофизике (1948)Существование протонов в ядре(Резерфорд и Содди, Блэккет)Из атома азота выбит протон (тонкийслед)147N + 42 He → 11 p+ 178 OОдин год экспериментаТрек альфа-частицы при взаимодействии с атомом азота.

Источник частиц снизу по фотографии, наблюдается "развилка" на самом левом треке.P. M. S. Blackett, The Ejection of Protons from Nitrogen Nuclei, Photographed by the Wilson Method, Proc. R. Soc. Lond. A , 107, 349 (1925)Резерфорд и Содди – нобелевские лауреаты по химии (1908, 1921), Блэккет – пофизике (1948)Существование протонов в ядре(Резерфорд и Содди, Блэккет)Из атома азота выбит протон (тонкийслед)147N + 42 He → 11 p+ 178 OОдин год эксперимента23,000 фотографийТрек альфа-частицы при взаимодействии с атомом азота. Источник частиц снизу по фотографии, наблюдается "развилка" на самом левом треке.P. M. S. Blackett, The Ejection of Protons from Nitrogen Nuclei, Photographed by the Wilson Method, Proc.

R. Soc. Lond. A , 107, 349 (1925)Резерфорд и Содди – нобелевские лауреаты по химии (1908, 1921), Блэккет – пофизике (1948)Существование протонов в ядре(Резерфорд и Содди, Блэккет)Из атома азота выбит протон (тонкийслед)147N + 42 He → 11 p+ 178 OОдин год эксперимента23,000 фотографий400,000 трековТрек альфа-частицы при взаимодействии с атомом азота. Источник частиц снизу по фотографии, наблюдается "развилка" на самом левом треке.P. M. S. Blackett, The Ejection of Protons from Nitrogen Nuclei, Photographed by the Wilson Method, Proc. R. Soc. Lond.

A , 107, 349 (1925)Резерфорд и Содди – нобелевские лауреаты по химии (1908, 1921), Блэккет – пофизике (1948)Существование протонов в ядре(Резерфорд и Содди, Блэккет)Из атома азота выбит протон (тонкийслед)8нсо у жбы ныти хй147N + 42 He → 11 p+ 178 OОдин год эксперимента23,000 фотографий400,000 трековТрек альфа-частицы при взаимодействии с атомом азота. Источник частиц снизу по фотографии, наблюдается "развилка" на самом левом треке.P. M.

S. Blackett, The Ejection of Protons from Nitrogen Nuclei, Photographed by the Wilson Method, Proc. R. Soc. Lond. A , 107, 349 (1925)Резерфорд и Содди – нобелевские лауреаты по химии (1908, 1921), Блэккет – пофизике (1948)Существование нейтронов в ядреЧедвик (1935)1471114N + 0 n → 5 B+ 2 Heисточник нейтронов:бомбардируемая альфачастицами бериллиеваяфольга94Трэки частиц, образовавшихся прирасщеплении азота нейтроном. Трекнейтрального нейтрона не виден. Изнобелевской лекции Чедвика4121Be+ 2 He→ 6 C + 0 nранее было обнаружено нейтральное“бериллевое излучение” с большойпроникающей способностью,способное выбивать протоны изпарафинаОпыты Ф.Астона (массспектроскопия)Ф.Астон (1922)1) Атомные весаатомов примернократны массе атомаводорода2) У большинстваэлементовсуществуютнатуральные изотопыИз нобелевской лекции Ф.АстонаГипотеза Астона о строении ядра(одна неправильная гипотеза...)«Нейтральный атом элемента с атомным номером Nимеет ядро, содержащее K+N протонов и K электронов, ивокруг этого ядра вращаются N электронов»Гипотеза Астона о строении ядра(одна неправильная гипотеза...)«Нейтральный атом элемента с атомным номером Nимеет ядро, содержащее K+N протонов и K электронов, иИзвестные энергиивокруг этого ядра вращаются N электронов»ядерных излучений~МэВ.

Такой электронневернонечем удерживать!если электрон локализован на ядерном размере (фм), тоΔ p Δ x≃ℏ2( )2r0p2классика K∼∼≃Ry∼10ГэВ≫mc2 m m r 2ядr ядℏc−11ультрарелятив. K ∼ pc∼ ≃3⋅10 Дж∼100 МэВr яд2ℏСпектры зеркальных ядер●●●http://nuclphys.sinp.msu.ru/ndb/ndb106.htmМасштаб энергий~МэВСтруктура уровнейслабо зависит оттипа нуклонаСпины состоянийядер могут сильноотличаться —возможноизлучение фотоноввысокоймультпольностиПромежуточный выводЯдро имеет размер порядка фемтометровЯдро состоит из протонов и нейтроновНужно “сильное” взаимодействие, котороепревзойдёт кулоновское отталкиваниепротонов и сможет связать в ядренейтральные нейтроныЭнергия связи ядра+6p=6nядро углерода-122M ядра c + E св =(Z m p+ N mn )c2E св =(Z m p+ N mn−M ядра )c2чем больше Eсвтем «крепче» ядроУдельная энергия связи (на нуклон)●●●пики для гелия, углерода, кислородамаксимум для железапочти константа (8 МэВ) для тяжелыхэлементов=насыщение ядерных силwikipedia.org, Nuclear binding energies, http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_binding_energyМодель ядерных сил ЮкавыΔ E×τ∼ℏ2Δ E =m cℏcL∼c τ∼ 2mcЮкава(теория, 1949)Поуэл(обнаружениемезонов, 1947)ℏ c 10−27×1010−48mc ∼ ∼эрг=10эрг∼10эВ=100 МэВ−13L102pπnhttp://nuclphys.sinp.msu.ru/spargalka/images/s014_4.gifКапельная модель, формулаВайцзекераЕсли нуклонов много – похоже на каплюжидкости!!!E V =α AE S =−β Aнасыщение ядерных сил2/ 3поверхность2ZE K =−γ 1 /3Aотталкивание протоновквантовыеэффекты2 эквивалентность протонов(A/ 2−Z )E сим =−ϵAE спар=k δ3 /4Aи нейтронов в сильномвзаимодействииk=1 для чётно-чётных ядер, k=0для чётно-нечётных и k=-1 длянечётно-нечётных ядерКапельная модель, формулаВайцзекераЕсли нуклонов много – похоже на каплю жидкости!!!Тогда по аналогии можно получитьфеноменологическую формулу для энергии связи:E свядерныхсилEA2/ =α32 −1/3 насыщение2 −1−3/4V=α A−β A −γ Z A −ϵ( A/2−Z ) A + k δ A2/ 3α=14.03E =−β ASβ=13.03все в 2МэВZE K =−γ 1 /3ϵ=77.25Aδ=34.57γ=0.5835поверхностьотталкивание протоновквантовыеэффекты2(A/ 2−Z )E сим =−ϵAE спар=k δ3 /4Aвыгодность равныхчисел протонов инейтроновk=1 для чётно-чётных ядер, k=0для чётно-нечётных и k=-1 длянечётно-нечётных ядер“Долина стабильности”22Z( A/2−Z )2 /3E св =α A−β A −γ 1/ 3 −ϵ+ k δ3 / 4AAAZZ2 γ 1/ 3 −ϵ+ 2 ϵ =0AAA1A1Z= ×≃ ×γ2/ 32 1+ A2 1+0.0075 A2/ 3ϵwikipedia.org, Isotope, http://en.wikipedia.org/wiki/IsotopeУстойчивость «капли»V =const , a=R(1+ε) , b=(1−ε/2)2 22 /3E S =−β A 1+ ε52Z1 2E K =−γ 1/ 3 1− ε5A((http://nuclphys.sinp.msu.ru/ndb/ndb101.htm))Устойчивость «капли»V =const , a=R(1+ε) , b=(1−ε/2)2 22 /3E S =−β A 1+ ε не выгодно52Z1 2E K =−γ 1/ 3 1− εвыгодно5A((http://nuclphys.sinp.msu.ru/ndb/ndb101.htm))Устойчивость «капли»V =const , a=R(1+ε) , b=(1−ε/2)2 22 /3E S =−β A 1+ ε не выгодно52Z1 2E K =−γ 1/ 3 1− εвыгодно5A(())http://nuclphys.sinp.msu.ru/ndb/ndb101.htm()2Условие Δ E =γ ε 2 A2 /3 Z −2 β >0γнеустойчивости5A2Z> 45AУстойчивость «капли»V =const , a=R(1+ε) , b=(1−ε/2)2 22 /3E S =−β A 1+ ε не выгодно5A12×> 45Z12 /3 24 (1+ 0.0075 A )E K =−γ 1/ 3 1− ε2 выгодно5AAhttp://nuclphys.sinp.msu.ru/ndb/ndb101.htm>1802/ 3 2(1+0.0075 A )2Условие Δ E =γ ε 2 A2 /3 Z −2 β >0A>330γнеустойчивости5A(())()2для Fl: Z=114, A=2892Z=45AZ> 45Aдля U: Z=92, A=2382Z=35AОсновное на лекцииE =α AE св =α A−β AV2/ 3−γ Z 2 A−1 /3 −ϵ( A/2−Z )2 A−1 + k δ A−3/ 4α=14.03E =−β2/ 3ASповерхностьβ=13.032γ=0.5835 всеZ в МэВE K =−γ 1 /3ϵ=77.25Aδ=34.572R0≈1.3 √ Aфм3нейтроныквантовыеэффектыпротоны(A/ 2−Z )E сим =−ϵAx12x6x2E спар =k δ3 /4A.