Mag és részecskefizika Levelező Második előadás 2009. November 7.

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

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

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

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

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

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

Szétsugárzás elektron + pozitron → 2 γ-foton

mesterséges atommag átalakítások 10. Részecskegyorsítók, mesterséges atommag átalakítások

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)

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

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

Lineáris részecskegyorsító SLAC: 3 km, 50 GeV

Ciklotron Emax = 20 MeV

Szinkrotron Emax = 7000 GeV

CERN Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire

ATLAS detektor

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:

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

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

11. Az atommag szerkezete: tömeghiány, kötési energia

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

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

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

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

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%

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

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

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

Energiaminimumra való törekvés

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

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

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

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 …

Urán hasadása 235U + n → 2 hasadási termék + 2,4 neutron + β + γ + Q Az elsőként keletkező termékek tovább bomlanak, felezési idejük: 1 s – 10 000 év Q ~ 200 MeV (kinetikus energia ~ 169 MeV) 235U + n → 236U + γ (~ 20 %) Hasonló: 239Pu + n → hasadási termékek + 2,9 neutron + 198 MeV

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

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

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 20 000x 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)

Reaktor elvi vázlata

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

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 10 000 évig sugároznak → új generációs reaktorok szaporító reaktorok (pl. 238U → 239Pu) nagyobb hatásfok (magasabb T) nukleáris hulladékok semlegesítése

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

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 ~ 120 000 000 K

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

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

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, 10 000 000 A)

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

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

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

18. Az anyag építőkövei

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

Neutrínó detektorok

Az anyag építőkövei

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 http://en.wikipedia.org/ http://www2.kutl.kyushu-u.ac.jp/seminar/MicroWorld3_E/3Part1_E/3P13_E/DiscoverNeutron_E.htm http://www.answers.com/topic/accelerator-mass-spectrometry http://teachers.web.cern.ch/teachers/archiv/HST2002/Bubblech/mbitu/electromag-events1.htm http://www.britannica.com/EBchecked/topic-art/445045/59812/Two-stage-tandem-particle-accelerator-A-beam-of-negative-ions http://www.fi.edu/guide/jones/students16-19.html http://www.odec.ca/projects/2005/shar5a0/public_html/mainpage.htm http://www.physics.ohio-state.edu/~ling/group/cms.html http://hepoutreach.syr.edu/Index/accelerator_science/accel_overview.html http://csep10.phys.utk.edu/astr162/lect/energy/coulombB-color.gif http://www.lbl.gov/abc/wallchart/chapters/06/1.html http://www.hcc.mnscu.edu/chem/abomb/page_id_31406.html http://www.knutsford-scibar.co.uk/SciBAr%20Archive http://www.daviddarling.info/encyclopedia/N/nuclear_reactor.html http://iter.rma.ac.be/en/sustain/FusionPlant/index.php