Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Magfizika és az élet a Szilárd Leó verseny néhány feladatának tükrében Dr. Sükösd Csaba Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Nukleáris Technika.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Magfizika és az élet a Szilárd Leó verseny néhány feladatának tükrében Dr. Sükösd Csaba Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Nukleáris Technika."— Előadás másolata:

1 Magfizika és az élet a Szilárd Leó verseny néhány feladatának tükrében Dr. Sükösd Csaba Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Nukleáris Technika Tanszék Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét. Miskolc, április 3-7.

2 Tartalomjegyzék  Tehetséggondozás  Az élet és a makrofizika  A neutron tömege  A magerők két nukleon között  Szén és oxigén, vörös óriás

3 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Tehetséggondozás „Nem vagyunk egyformák” Átlag népesség: demokráciában dönt, ezért az alapismeretekkel (fizika is) fel kell vértezve legyen – közoktatás szerepe Tehetségek: az ország innovatív kincse, a „szürke állomány”. (Nobel-díjasok, diákolimpikonok, stb. ) Akikre büszkék lehetünk – tehetséggondozás szerepe

4 Az élet és a makrofizika (kapcsolatuk szinte „magától értetődő”)  Föld forgása – éjjelek és nappalok váltakozása  Föld keringése és dőlésszöge – évszakok váltakozása  Föld mágneses mezője – védelem a kozmikus sugárzás romboló hatása ellen  Föld légköre – üvegház, klíma  Föld radioaktivitása – lemeztektonika, „mozgó”, változó Föld, hegyek, tengerek  élőhelyek De van-e köze a magfizikának az élethez?

5 A neutron tömege I.  Neutron tömege: M n = 1, · kg  Proton tömege: M p = 1, · kg  Elektron tömege: M e = 0, · kg  M p +M e = 1, · kg M n > M p +M e ezért a szabad neutron elbomlik: M n > M p +M e ezért a szabad neutron elbomlik: n  p + e + ν + energia n  p + e + ν + energia Jelenleg nem tudjuk miért éppen ekkorák a tömegek, de mi lenne, ha nem ekkorák lennének ? tömegek, de mi lenne, ha nem ekkorák lennének ?

6 Szilárd Leó Verseny évi döntő, 1. feladat Milyen lenne a világ, ha a neutron tömege egy ezrelékkel kisebb lenne (a jelenlegi tömeg 0,999-szerese) ?

7 Mi lenne, ha M n < M p +M e ? 1) a szabad neutron nem bomlana el. 2) p + e  n + v + energia (elektronbefogás) Nem létezne a H-atom! A csillagok kialakulása előtt a nagyrészt H-atomokból álló gáz elektronbefogással neutronokká alakult volna. Más atomok sem létezhetnének, hiszen az elektronok befogásával a magban lévő protonok neutronokká alakulnának. Neutroncsillagok Lehetne így ÉLET ? Ha a neutron tömege 0,0014 · kg-al, azaz kb. 1 ezrelékkel kisebb lenne !

8 Magerők két nukleon között (1) Egyetlen két-nukleon kötött rendszer van: a deuteron (proton - neutron). a deuteron (proton - neutron). Kötési energiája: 2,2 MeV, perdülete: 1 (h/2π) MeV 0,0 - 2, MeV 0,0 Perdület: 1Perdület: 0

9 Magerők két nukleon között (2) Mi a helyzet két proton, vagy két neutron között ? Van-e „diproton” és „dineutron”? A magerők nem tesznek különbséget proton és neutron között  perdület = 1 állapot kötött, neutron között  perdület = 1 állapot kötött, perdület = 0 állapot nem kötött. perdület = 0 állapot nem kötött. A Pauli-elv miatt csak (perdület = 0) állapotban lehetne 2 neutron, vagy 2 proton, ott pedig nincs kötés. Ezért NEM LÉTEZIK sem diproton, Ezért NEM LÉTEZIK sem diproton, sem pedig dineutron kötött állapotban. sem pedig dineutron kötött állapotban. Mi a köze ennek az ÉLET-hez?

10 Szilárd Leó Verseny évi döntő, 3. feladat A Napban (több lépésen át) 4 1 H 4 He magfúzió termeli az energiát, ami a napfényt táplálja. a) Milyen lett volna a Nap sorsa, ha a 2 He atommag stabilan létezne ? b) Milyen lett volna a Nap sorsa, ha a 2 H izotóp nem létezne?

11 Magerők két nukleon között (3) A Nap energiatermelő ciklusának első lépése: p + p  2 H + e + + v + energia azaz úgy keletkezik deuteron, hogy „ütközés közben” az egyik proton neutronná alakul (pozitív β-bomlással). Roppant kis valószínűségű folyamat! Egy proton évmilliárdokig bolyong a Napban, míg egyszer egy ilyen folyamat részese lesz! Ez a fék! Ezért süt a Nap évmilliárdokig egyenlete- sen, időt hagyva az ÉLETnek az evolúcióra.

12 Magerők két nukleon között (4) (mi lenne, ha…) A Nap energiatermelő ciklusának első lépése: p + p  2 H + e + + v + energia • Ha a magerők kicsit „gyengébbek” lennének: a deuteron ( 2 H) sem lenne kötött rendszer, a csilla- gokban (és így a Napban) nem indulna be a fúziós energiatermelés. Lehetne így ÉLET? • Ha a magerők kicsit „erősebbek” lennének: a diproton ( 2 He) is kötött rendszer lenne. A fúzió megindulásához nem lenne szükség béta-bomlásra. A csillagokban (és így a Napban) nem működne a „fék,” rövid idő alatt óriási energiájukat - szinte robbanásszerűen – kisugároznák. Lehetne így ÉLET?

13 Szilárd Leó Verseny évi döntő, 6. Feladat A vörös óriás csillagokban 4 He-ból fúzióval épülnek fel a magasabb rendszámú elemek. Ennek a fúziós folyamatláncnak nehéz az indu- lása, mert a 4 He+ 4 He  8 Be atommagreakció végterméke nem stabil, hanem szinte rögtön szétesik. Fred Hoyle feltételezte, hogy elegen- dően nagy sűrűség esetén az is előfordulhat, hogy a 8 Be igen rövid élettartama alatt egy har- madik 4 He atommaggal találkozik, s akkor a 8 Be+ 4 He  12 C folyamatban 12 C atommag kelet- kezhet. Miután ehhez 3 db  -részecske igen rövid időn belül való találkozására van szükség, ezt a folyamatot 3 folyamatnak nevezik… (folyt.) A vörös óriás csillagokban 4 He-ból fúzióval épülnek fel a magasabb rendszámú elemek. Ennek a fúziós folyamatláncnak nehéz az indu- lása, mert a 4 He+ 4 He  8 Be atommagreakció végterméke nem stabil, hanem szinte rögtön szétesik. Fred Hoyle feltételezte, hogy elegen- dően nagy sűrűség esetén az is előfordulhat, hogy a 8 Be igen rövid élettartama alatt egy har- madik 4 He atommaggal találkozik, s akkor a 8 Be+ 4 He  12 C folyamatban 12 C atommag kelet- kezhet. Miután ehhez 3 db  -részecske igen rövid időn belül való találkozására van szükség, ezt a folyamatot 3 folyamatnak nevezik… (folyt.)

14 Szilárd Leó Verseny évi döntő, 6. Feladat (folyt.) …Hoyle számításai szerint azonban ennek is csak akkor lehet számottevő szerepe, ha a 12 C atom- magban van olyan gerjesztett állapot, amely a 3 db  -részecskéből könnyen létrejöhet, s amely azután  -foton kibocsátásával alapállapotba bom- lik. Hoyle jóslatát követve Fowler, a California Institute of Technology munkatársa hamarosan kísérletileg is megtalálta ezt a gerjesztett álla- potot a 12 C atommagban. …Hoyle számításai szerint azonban ennek is csak akkor lehet számottevő szerepe, ha a 12 C atom- magban van olyan gerjesztett állapot, amely a 3 db  -részecskéből könnyen létrejöhet, s amely azután  -foton kibocsátásával alapállapotba bom- lik. Hoyle jóslatát követve Fowler, a California Institute of Technology munkatársa hamarosan kísérletileg is megtalálta ezt a gerjesztett álla- potot a 12 C atommagban. Vajon mekkora gerjesztési energia közelében kel- lett Fowlernek ezt az állapotot keresnie a 12 C atommagban? Vajon mekkora gerjesztési energia közelében kel- lett Fowlernek ezt az állapotot keresnie a 12 C atommagban? Adatok: (a folyamatban szereplő részecskék tömegei) Adatok: (a folyamatban szereplő részecskék tömegei)

15 Megoldás A 12 C létrejöttének energiamérlege A 12 C létrejöttének valószí- nűsége az energia (a csillag hőmérséklete) függvényében. Mi köze ennek az ÉLET-hez?

16 Szén és oxigén, vörös óriás (1) A fúziós energiatermelés akkor tud megvalósulni (a csillagokban is), ha a részecskéknek elegendő mozgási energiájuk van a Coulomb-taszítás legyőzéséhez Ehhez magas hőmérséklet kell (pl. a Nap belsejében 15 millió fok), pedig ott „csak” két proton taszítja egymást (Z 1 =1, Z 2 =1). E max = Z1Z2e2Z1Z2e2 R (R a magerők hatótávolsága)

17 Szén és oxigén, vörös óriás (2) A Nap típusú csillagokban a fúzió a 4 He felépülé- sével véget ér. Hogyan jönnek létre az ÉLET szem- pontjából fontos nagyobb elemek ( 12 C, 16 O stb.)? Amikor „elfogy” az üzemanyag (a hidrogén): A csillag energiát veszít (sugárzás) Gravitációs összehúzódás, a hőmérséklet növekszik… Magasabb hőmérsékleten be tud indulni a He-He fúzió a feladatban említett 3  folyamattal. De…

18 Szén és oxigén, vörös óriás (3) Ha már van 12 C akkor, 12 C + 4 He  16 O is létrejöhet. Ehhez persze valamivel magasabb hőmérséklet kell, mert a 12 C és a 4 He jobban taszítják egymást, mint A 8 Be és a 4 He. A csillag hőmérséklete tehát alapvetően fontos: • túl alacsony hőmérséklet: CSAK 12 C lesz, • túl magas hőmérséklet: CSAK 16 O lesz. Az ÉLETnek nagyjából azonos mennyiségű 12 C-re és 16 O-ra van szüksége. Hogyan állítja be ennyire pontosan a csillag a hőmérsékletét ?

19 Szén és oxigén, vörös óriás (4) Szerencsés „véletlen”, hogy ez a rezonancia éppen az optimális hőmérsékletnél van, ahol 12 C/ 16 O ~1. Stabilizál!! Ha a magerők egy ezrelékkel • gyengébbek lennének: nem lenne 16 O (lehetne ÉLET oxigén nélkül?) • erősebbek lennének: nem lenne 12 C (lehetne ÉLET szén nélkül?) A 12 C létrejöttének valószínűsége A rezonancia pontos helye a magerőktől függ (Csótó Attila, ELTE).

20 Összefoglalás Az ÉLET nukleáris feltételei (néhány példa): •A neutron tömege pontosan akkora kell legyen, mint amekkora (egy ezrelék pontosan) •A magerők spinfüggése pontosan olyan kell legyen, mint amilyen (egy százalék pontosan) •A magerők erőssége pontosan akkora kell legyen, mint amekkora (egy ezrelék pontosan) Hát nem csodálatos ez a világ ?

21 Köszönöm a megtisztelő figyelmet !


Letölteni ppt "Magfizika és az élet a Szilárd Leó verseny néhány feladatának tükrében Dr. Sükösd Csaba Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Nukleáris Technika."

Hasonló előadás


Google Hirdetések