Mag és részecskefizika

Az előadások a következő témára: "Mag és részecskefizika"— Előadás másolata:

1 Mag és részecskefizika
Levelező Második előadás 2009. November 7.

2 A neutron és a pozitron (párképződés, szétsugárzás)
9. A neutron és a pozitron (párképződés, szétsugárzás)

3 A neutron felfedezése 1930 Boethe & Becker: berillium + α sugárzás
nagy áthatolóképességű, semleges sugárzás (γ??) 1932 Curie & Joliot: + parafinréteg nagyenergiájú protonok lépnek ki Chadwick: semleges részecskék, m ~ mp

4 A neutron tulajdonságai
Elektromos és mágneses térben nem térülnek el Az atom külső részén áthatolnak anélkül, hogy az atomot ionizálnák Rendkívül nagy áthatolóképesség Sebességükből csak akkor veszítenek, ha az atommaggal közvetlenül összeütköznek mn = 1,00138 mp mn = 1,00894 ATE mp = 1,00758 ATE Jelölés: n ; 10n

5 A neutron tulajdonságai
Szabadban elbomlik: Felezési idő ~ 10,61 perc Spinje ½ Mágneses momentuma van

6 A pozitron 1932 Anderson: ködkamra + mágneses tér + kozmikus sugárzás → elektronhoz hasonló nyom, csak ellenkező irányba görbül elektronnal egyező tömegű részecske pozitív töltésű

7 Párképződés Elegendően nagy energiájú γ-sugárzás → a foton elnyelődik, helyette keletkezik egy elektron és egy pozitron Atommag közelében játszódik le (energia- és impulzus-megmaradás!) hν > 1,02 MeV

8 Szétsugárzás elektron + pozitron → 2 γ-foton

9 mesterséges atommag átalakítások
10. Részecskegyorsítók, mesterséges atommag átalakítások

10 Részecskegyorsítók Az atommagok és részecskék vizsgálatának legfontosabb módszere: részecskék közötti ütközések létrehozása majd a szétrepülő részecskék vizsgálata Megfelelő energiájú részecskenyaláb ütköztetése a céltárggyal Kezdetek: természeted radioaktív bomlás felhasználása Gyorsító: elektromos terek segítségével töltött részecskék nyalábját nagy energiára gyorsítjuk fel folytonos/impulzusüzemű lineáris/ciklikus Ionforrás Pl. rádiófrekvenciás (plazmából szívjuk ki az ionokat)

11 Cockcroft–Walton-gyorsító
Nagy U: kaszkádgenerátor Emax ~ 1 MeV

12 Van de Graaf-generátor
Emax ~ 20 MeV Energia kétszerezése: Tandemgenerátor

13 Lineáris részecskegyorsító
SLAC: 3 km, 50 GeV

14 Ciklotron Emax = 20 MeV

15 Szinkrotron Emax = 7000 GeV

16 CERN Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire

17

18 ATLAS detektor

19 Magreakciók 1911 Rutherford: α-részecske + 14N → proton lépett ki
Az atommagok át tudnak egymásba alakulni, a természetben elő nem forduló részecskéket is létre lehet hozni Jelölés:

20 Magreakciók osztályozása
Rugalmas szórás Rugalmatlan szórás Sugárzásos befogás Fotoreakciók Stripping Picking up Nukleoncserék Többrészecske-reakciók Hasadás Fúzió Nehézion-reakciók

21 Megmaradási tételek Töltésmegmaradás Nukleonszám-megmaradás Perdület
Energia Paritás (néha sérül) Leptonszám (könnyű részecskék: elektron, neutrínó...)

22 11. Az atommag szerkezete: tömeghiány, kötési energia

23 Az atommag felépítése Protonok + Neutronok (tömegük közel azonos)
Tömegszám (A): protonok és neutronok száma Rendszám (Z): protonok száma Neutronok száma: A – Z Az atommag tömege minden esetben kisebb, mint a magot alkotó protonok és neutronok tömegének összege → tömeghiány

24 Kötési energia Δm·c2: az az energia, amely felszabadul, amikor a magot az alkotóelemeiből összerakjuk Ezt az energiát kötési energiának hívjuk

25 Magerők Vonzó kölcsönhatás amely a nukleonok között hat
Rövid hatótávolságú (10-15 m) Nagyon kis távolságra taszítóvá válik → a magok sűrűsége közel állandó

26 12. Az atommag cseppmodellje;
a térfogati, felületi, Coulomb és Pauli energia

27 A cseppmodell A mag sűrűsége állandó → ~ összenyomhatatlan folyadék egymással érintkező azonos sugarú golyók halmaza Félempirikus formula a kötési energiára: felületi párkölcsön-hatás Pauli (szimmetriatag) térfogati Coulomb Paraméterek megállapítása: illesztés a mérési eredményekre pontosság: 4%

28 Térfogati tag: a kötési energia arányos a nukleonok számával
Felületi tag: a felületen lévő nukleonokra kevesebb társuk hat Coulomb tag: a protonok taszítása pontosabb formula: Z(Z-1) Szimmetria tag: a héjmodell ad rá magyarázatot Párkölcsönhatási tag ε > 0: páros – páros ε = 0: páros – páratlan ε < 0: páratlan – páratlan

29 Héjmodell ~ elektronhéj
A nukleonok különböző, diszkrét energiaszinteket vehetnek fel Egy adott kvantumállapotban legfeljebb két proton/neutron helyezkedhet el A lehető legalacsonyabb energiát veszik fel héjmodell → mágikus számok: különösen stabil atommagok

30 A radioaktivitás „energetikai” értelmezése
14. A radioaktivitás „energetikai” értelmezése

31 Energiaminimumra való törekvés

32 Radioaktivitás értelmezése
A bomláshoz/hadadáshoz egy energiagátat kell leküzdeni Kvantummechanika: valamekkora valószínűséggel akkor is lehetséges, ha nincs elegendő energiája a részecskének β– bomlás – rendszámnövelő β+ bomlás – rendszámcsökkentő Elektron befogás – rendszámcsökkentő

33 α bomlás nagy tömegszámú atomok vándorlása az A = 58 felé egy nukleon kilépésénél nagyobb valószínűségű egy nukleoncsoport kilépése (2 proton + 2 neutron) γ bomlás Elektromágneses átmenet a magon belül gerjesztett mag → alapállapot

34 Az urán hasadása; a fissziós erőmű
15. Az urán hasadása; a fissziós erőmű

35 Maghasadás felfedezése
maghasadás = fisszió Természetes „reaktorok” Gabon, kb 2 billó éve; 100 kW 1917 Rutherford: Ni + α → nagy energiájú protonok 1932 Li + p → 2 α 1934 fisszió gondolata 1938 Hahn, Meitner, Strassman: n + U → bárium … 1942 Chicago, Fermi, Szilárd, Wigner: első láncreakció 1945 Első atombomba …

36 Urán hasadása 235U + n → 2 hasadási termék + 2,4 neutron + β + γ + Q Az elsőként keletkező termékek tovább bomlanak, felezési idejük: 1 s – év Q ~ 200 MeV (kinetikus energia ~ 169 MeV) 235U + n → 236U + γ (~ 20 %) Hasonló: 239Pu + n → hasadási termékek + 2,9 neutron MeV

37 Láncreakció A hasadáskor keletkezett neutronok újabb hasadóképes magokkal találkozhatnak Hatáskeresztmetszet függ a mag típusától és a neutronok sebességétől 235U esetén a lassú, termikus neutronokra a legnagyobb a befogás valószínűsége

38 Önfenntartó láncreakció
Neutron keletkezés: hasadásonként 2–3 Abszorpció új mag hasítása elnyelődés atommagban (hasadóanyag/más anyag) Kifolyás: kilépés a reaktortérből Kritikus: egyensúlyban van keletkezés = abszorpció + kifolyás Subkritikus: kevesebb keletkezik, a reakció lecseng Superkritikus: egyre több neutron keletkezik Neutronok lassítása: moderáló közeg

39 Reaktorok szabályozása
A stabil működéshez az időegység alatt keletkező neutronok száma állandó kell legyen: kritikus állapot Kis különbség: a reakció vagy leáll, vagy exponenciálisan növekszik időállandó az azonnal kiszabaduló neutronokra: 10-4 s (ha 1%-kal több neutron keletkezik 1 s alatt x növekedés) (→ atombomba) a neutronok egy része (0,6 %) nem a hasadás pillanatában keletkezik, hanem csak a termékek bomlásakor ezek időállandója: ~ 15 s Reaktor mérgek: elnyelik a neutronokat Szabályozás: bor, kadmium Fisszió melléktermékei (pl. Xenon)

40 Reaktor elvi vázlata

41

42 Nyomottvizes reaktor Moderátor: víz
Emelkedő T → gőzbuborékok → csökkenő teljesítmény

43 Fissziós erőművek problémái
Biztonság kérdése megfelelő tervezés önszabályozó elrendezések előírások betartása 235U: a természetes uránnak csak 0,72 %-a (előbb-utóbb elfogy) Hasadás termékei akár évig sugároznak → új generációs reaktorok szaporító reaktorok (pl. 238U → 239Pu) nagyobb hatásfok (magasabb T) nukleáris hulladékok semlegesítése

44 A Napban zajló fúziós folyamatok
16. A fúzió A Napban zajló fúziós folyamatok A fúzió megvalósítása

45 A fúzió Könnyű magok → nehéz mag + energia Követelmény
le kell győzni a Coulomb taszítást szükséges energia (D+T esetén): ~ 0,01 MeV Hőmozgás esetén: T ~ K

46 A csillagokban lejátszódó fúziós folyamatok
Hidrogén „égetése” Proton-proton láncreakció(109 év) CNO ciklus (1,5 naptömeg felett)

47 Hélium „égetése” 3 α folyamat α folyamatok (rendszám +2) Szén égetése (→ O, Ne, Na, Mg) Oxigén égetése (→ Si, P, S, Mg) Nehezebb elemek létrehozása: szupernóva-robbanás

48 A fúzió létrehozása Müon katalizált fúzió (akár szobahőmérsékleten)
Részecskegyorsító alapú fúziós berendezések Ugy > 10 kV → gyors neutronok gyártása Magas hőmérsékleten létrehozott fúzió atombomba robbanása indítja be a fúziót → hidrogénbomba magas hőmérsékletű plazma létrehozása mágneses készülékek lézer elektromos kisülések (Z-pinch: 100 ns, A)

49 Tokamak Plazma lokalizálása: mágneses tér
Felfűtés: változó mágneses tér ITER: cél: 500 MW 1000 s-ig

50 Lézeres fúzió Kis kapszula + lézerimpulzusok → elegendően nagy hőmérséklet a fúzió begyújtásához

51 NIF National Ignition Facility
192 lézer ps idő: 500 TW 2 MJ

52

53 18. Az anyag építőkövei

54 Vizsgálati módszerek Vizsgált események: kozmikus sugárzás
részecskék ütköztetése részecskegyorsítókban Detektorok: ködkamra diffúziós ködkamra proporcionális kamrák félvezető detektorok ...

55 Neutrínó detektorok

56 Az anyag építőkövei

57

58

59

60 Források Hevesi Imre, Szatmári Sándor: Bevezetés az atomfizikába, JATEPress, Szeged 2002 Budó Á.: Kísérleti fizika III., Tankönyvkiadó, Budapest, 1970. Kiss Dezső, Horváth Ákos, Kiss Ádám: Kísérleti Atomfizika, ELTE Eötvös Kiadó, Budapest, 1998