Hvordan ser kjernen ut?

Like dokumenter
Løsningsforslag til ukeoppgave 16

Atomets oppbygging og periodesystemet

Regneoppgaver for KJM 5900

( ) Masse-energiekvivalens

Ioniserende stråling. 10. November 2006

Regneoppgaver for KJM5900

5:2 Tre strålingstyper

Senter for Nukleærmedisin/PET Haukeland Universitetssykehus

Kapittel 21 Kjernekjemi

5:2 Tre strålingstyper

LHC girer opp er det noe mørk materie i sikte?

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, øving 5 1 ØVING 5

d) Antallet gjenvρrende radioaktive kjerner etter en tid t er N(t) =N 0 e t ; der N 0 og er konstanter. Halveringstiden er gitt ved at e t 1= =1=, alt

Introduksjon til partikkelfysikk. Trygve Buanes

VELKOMMEN TIL INTERNATIONAL MASTERCLASSES 2017 FYSISK INSTITUTT, UNIVERSITETET I OSLO

RØNTGENSTRÅLING oppdages, 8. nov RADIOAKTIVITET oppdages 1. mars 1896

Atomegenskaper. MENA 1001; Materialer, energi og nanoteknologi - Kap. 4. Universet. Elektroner. Periodesystemet Atomenes egenskaper

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 5: Fysikken i astrofysikk, del 2

FLERVALGSOPPGAVER ATOMER og PERIODESYSTEMET

Eirik Gramstad (UiO) 2

FYS 3710 Biofysikk og Medisinsk Fysikk, 2015

Nivåtettheten for ulike spinn i 44 Ti

Teoretisk kjemi. Trygve Helgaker. Centre for Theoretical and Computational Chemistry. Kjemisk institutt, Universitetet i Oslo. Onsdag 13.

AST1010 En kosmisk reise

Løsningsforslag for øvningsoppgaver: Kapittel 11

Løsningsforslag til eksamen i FY8401/FY8410/VUF4001 IONISERENDE STRÅLINGS VEKSELVIRKNING MED MATERIE Onsdag 15. desember 2004

1) Redoksreaksjoner, reaksjoner hvor en forbindelse. 2) Syre basereaksjoner, reaksjoner hvor en. elektronrik forbindelse reagerer med en

KOSMOS. 10: Energirik stråling naturlig og menneske skapt Figur side 304. Uran er et radioaktivt stoff. Figuren viser nedbryting av isotopen uran-234.

Kosmos SF. Figurer kapittel 10 Energirik stråling naturlig og menneskeskapt Figur s. 278

Hvordan skal vi finne svar på alle spørsmålene?

Innhold. Ø. Holter, F. Ingebretsen og H. Parr: Fysikk og energiressurser

Forslag til forarbeid

Kapittel 2 Atom, molekyl og ion. 1. Moderne beskrivelse av atom - Enkel oppbygning - Grunnstoff og isotoper - Navn på grunnstoff

FYS2140 Hjemmeeksamen Vår Ditt kandidatnummer

Hvordan skal vi finne svar på alle spørsmålene?

Kosmos SF. Figurer kapittel 10: Energirik stråling naturlig og menneskeskapt Figur s. 292

KOSMOS. 5: Elektroner på vandring Figur side Modell av et heliumatom. Elektron. Nøytron. p + Proton. Protoner

BINGO - Kapittel 6. Når et stoff går fra. Når et stoff går fra fast stoff til væske (smelte) To eller flere atomer som henger sammen (molekyl)

FYS 3710 Biofysikk og Medisinsk Fysikk, Strålingsfysikk /kjemi stråling del 2

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, løsning øving 4 1 LØSNING ØVING 4

AST1010 En kosmisk reise

elementpartikler protoner(+) nøytroner elektroner(-)

UNIVERSITETET I OSLO

FYS 3710 Biofysikk og Medisinsk Fysikk, Bindingsteori - hybridisering - molekylorbitaler

Eksamen i: FYS145 - Kvantefysikk og relativitetsteori Eksamensdag: Mandag 10. mai 2004, kl (3 timer)

Den biologiske doseekvivalenten. Den effektive doseekvivalenten. Source for ALI values. ALI - eksempel. Biologisk halveringstid

Kan vi bruke IFEs atomreaktorer til å lage nye radioaktive medisiner?

MENA1001 Deleksamen 2017 Forside

Løsningsforslag til eksamen i FYS1000, 19/8 2016

Radioaktiv stråling Av Arve Aksnes og Kai Håkon Sunde

Nano, mikro og makro. Frey Publishing

Kapittel 7 Atomstruktur og periodisitet Repetisjon 1 ( )

TFY4215_S2018_Forside

FYS2140 Kvantefysikk, Oblig 2. Sindre Rannem Bilden, Gruppe 3

TUNNELERING. - eit viktig kvantemekanisk fenomen

Genetisk avhengige nuklider

Enkel introduksjon til kvantemekanikken

Hva har LHC lært oss om partikkelfysikk så langt?

KJM Radiokjemidelen

AST1010 En kosmisk reise Forelesning 13: Sola

Midtsemesterprøve i FY3403 PARTIKKELFYSIKK Onsdag 22. oktober :15 16:00

TUNNELERING. - eit viktig kvantemekanisk fenomen

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 5: Fysikken i astrofysikk, del 2

UNIVERSITETET I OSLO

FYS2140 Kvantefysikk, Løsningsforslag for Oblig 2

Fasiter til diverse regneoppgaver:

Egil Lillestøll, Lillestøl,, CERN & Univ. i Bergen,

Begrep. Protoner - eller Hvordan få et MR-signal? Kommunikasjon. Hoveddeler. Eksempel: Hydrogen. Hvordan få et signal?

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 19: Kosmologi

Hvorfor studere kjemi?

Grunnstoffdannelse. (Nukleosyntese)

Hvor kommer magnetarstråling fra?

Løsningsforslag til eksamen i FYS1000, 14/8 2015

13 Addisjon av dreieimpulser

KAPITEL 1. STRUKTUR OG BINDINGER.

Oppgave 2 Vi ser på et éndimensjonalt system hvor en av de stasjonære tilstandene ψ(x) er gitt som { 0 for x < 0, ψ(x) = Ne ax (1 e ax (1)

UNIVERSITETET I OSLO

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for lærer- og tolkeutdanning

PET. Medisinsk verktøy med radioaktivitet som grunnlag. Detektorer. Positron. g-kvant 511 kev. Radioaktiv tracer Detektorer

Masterclass i partikkelfysikk

ELEKTRISK STRØM 2.1 ELEKTRISK STRØM ATOMER

Lys. Bølger. Partiklar Atom

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 13: Sola

Lyshastighet=30 cm per milliardels sekund

Oppgavesett 6. FYS 1010 Miljøfysikk. Oppgave 1

Atommodeller i et historisk perspektiv

Eksamen FY3403 Partikkelfysikk Onsdag 10. desember 2008 Løsninger

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 16: Hvite dverger, supernovaer og nøytronstjerner

Universitetet i Oslo Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

MNF, UiO 24 mars Trygve Helgaker Kjemisk institutt, Universitetet i Oslo

1 Leksjon 8 - Kjerneenergi på Jorda, i Sola og i stjernene

Løsningsforslag til ukeoppgave 15

FYS1120 Elektromagnetisme - Ukesoppgavesett 2

Transkript:

Hvordan ser kjernen ut? Størrelsen på et nukleon: ca. 1.6 fm Størrelsen på kjernen: r r o A 1/3 1 fm (femtometer, fermi) = 10-15 m

Bindingsenergi Bindingsenergi pr. nukleon som funksjon av massetallet. Stiger raskt ved de lette massene Maksimum ved 56 Fe Synker langsomt mot høye masser

Stabilitetsdalen De stabile nuklidene finner vi i det angitte området. Det er viktig å legge merke til at N/Z.forholdet øker svakt mot høyere massetall

Fra nuklidekartet:!vi har omtrent: Stabile nuklider: ca 275 (helt svarte) Naturlig forekommende nuklider: ca 300 Totalt antall nuklider: ca 2200!De radioaktive finner vi her: - - nøytronrike kjerner + - nøytronfattige kjerner EC -nøytronfattinge kjerner nær stabilitet - tyngre kjerner SF - svært tunge kjerner!intern - overalt!eksotiske former: Proton-utsendelse 14 C-utsendelse

Flere observasjoner fra nuklidekartet:!stabile nuklider Even Z, even N 163 stk. 60,8 % Even Z, odde N 55 stk. 20,3 % OddeZ, even N 49 stk 18,9 % Odde Z, odde N 4 stk* 1,5 % *) Alle med A 14!Stabile nuklider Kun én på isobarkjeder med odde A Opptil tre på isobarkjeder med even A Maks to stabile isotoper med odde Z Ingen stabile isotoper for Z=43 og Z=61 Tildels mangestabile isotoper for even Z (maks for Sn, 10 stabile)!andre observasjoner Ekstremt mange isomere for visse grunnstoffer (f.eks.nesten hver In-isotop) Magiske tall Sterkt innslag av -aktivitet like over 208 Pb Ingen stabile nuklider med A=5 og 8

Utsnitt av nuklidekartet 208 Pb - dobbeltskallkjerne

- stabil struktur Massetall Det viser seg at kjerner som inneholder 1, 2, 3 eller 4 -partikler ( 4 He), 8 Be, 12 C og 16 O har spesielt høy bindinsenergi. 8 Be er likevel ubundet, fordi 2 partikler er mer energetisk gunstig.

-desintegrasjon (rep) X Z protoner N nøytroner A nukleoner Y Z-2 protoner N-2 nøytroner A-4 nukleoner + 2 protoner 2 nøytroner 4 nukleoner!en -partikler er et He-ion, som består av 2 protoner og 2 nøytroner.!to-partikkelprosess!den desintegrerende kjernen blir 4 atomære masseenheter (u) lettere. Med andre ord er A etter = A før - 4.!Den desintegrerende kjernen blir omvandlet til et nytt grunnstoff med Z-2 protoner.! -partiklene er monoenergetiske og har typisk en energi mellom 2 og 7 MeV.!En -partikkel bremses lett opp og vil bli til et helt vanlig He-atom (etter å ha "plukket opp" to elektroner). a

-desintegrasjon!rekkevidde i luft: 3.5 cm!rekkevidde i vann, 50-80 m!let: ca 100 kev/ m!skarp rekkevidde mm i luft Stor variasjon i halveringstider fra noen nanosekunder til 10 15 år Liten variasjon i energi (2,5-9 MeV)

-desintegrasjon -desintegrasjon gir linjespektrum

-desintegrasjon!tre forhold avgjør hvilken halveringstid man får for desintegrasjon:!1. To protoner og to nøytroner møtes i overflaten av kjernen og danner en kort stund en partikkel der.!2. Denne -partikkelen trenger gjennom coulomb-barrieren kvantemekanisk (tunneling)!3. Disse prosessene går lettes mellom fysisk likartede nivåer i begynnelses- og sluttkjernen.!forholdet mellom begynnelsesog sluttilstand gis av en såkalt hindringsfaktor.

-desintegrasjon Energiregnskap: Prosess: (Z,N) (Z-2,N-2) + Energibevaring krever at: M(Z,N) = M(Z-2,N-2) + M( 4 He) + E + E r Hvilemasse Kinetisk energi Q M(Z,N) - M(Z-2,N-2) - M( 4 He) (Nøytrale atomer) D.v.s.: E + E r = Q dessuten: m v = m r v r, følgelig: m 2 v 2 = m r 2 v r 2 ; m E = m r E r gir at: E + E (m /m r ) =E (1+m /m r ) = Q E = Q (m r /(m r + m )) Q (1-4/A) der A er massetallet av den desintegrerende kjernen.

-desintegrasjon Kjemisk viktig konsekvens: Energien som deponeres på rekylatomet er E r = Q (4/A) Dette er en liten del av decayenergien, men tilstrekkelig til å bryte enhver tenkelig kjemisk binding. En annen viktig konsekvens er at rekylatomet går ut i motsatt retning av -partikkelen med en betydelig kinetisk energi. Hvis datternukliden(e) er radioaktive, kan dette gi svært ubehagelige overraskelser hvis man ikke tenker på det.

- -desintegrasjon (rep.) X Y e - Z protoner N nøytroner A nukleoner Z+1 protoner N-1 nøytroner A nukleoner + Elektron + - Antinøytrino! -partikler er høyenergetiske elektroner med negativ ladning.! -partiklene er ikke monoenergetiske, slik som partiklene, men kan ha energier mellom 0 og E,max. I gjennomsnitt har de en energi på 1/3 av energien som frigjøres i desintegrasjonen.! -partikkel emisjon ledsages alltid av utsendelse av et antinøytrino. Antinøytrinoet er masseløst og uten ladning. Antinøytrinoer vekselvirker praktisk talt ikke med materien det går gjennom. Det vil derfor "forsvinne" uten at vi merker noe mer til det.

- -desintegrasjon Pauli s nøytrinopostulat (1932) I tidlige undersøkelser av spektrenes form oppdaget man et fundamentalt problem. Spektrene var kontinuerlige. Hvis prosessen var en to-partikkel-prosess, måtte de ha vært linjespektre, for å bevare både energi og bevegelsesmengde. Løsning foreslått av Wolfgang Pauli:Samtidig med elektronet sender kjernen ut en masseløs partikkel, nøytrinoet. Denne partikkelen måtte ha spinn ½ for også å bevare angulært moment i prosessen.

- -desintegrasjon Nobelpris 1945 Nobelpris 1938 Wolfgang Pauli 1900-1958 Enrico Fermi 1901-1954 Fermis -teori tar utgangspunkt i faserommet for både elektroner og nøytrinoer og fører frem til en formel som angir formen på spektret: P(p e )dp e = c F(Z,E e )(E o -E e )p e 2 dp e der p e og E e er imuls og energi for det utsendte elektronet, og E o er maksimal desintegrasjonsemergi (ofte også kalt E,max ). F(Z,E e ) er coulomb-korreksjonen. Merk at endepunktet er E = E,max

Bevaringslover, forts. Korrekt desintegrasjon: n p + e- + Forklarer kontinuerlig form på -spektret

- -desintegrasjon Nobelpris 1995 Frederick Reines 1918-1998 Nøytrinoet ble påvist ved såkalt omvendt -decay av Cowan og Reines i 1956: Man har: p n + + e + og dermed: p + n + e + (omvendt ). Prosesser som gir et nøytron og et positron samtidig (i koinsidens) er så sjeldne at de vil være en entydig bekreftelse.

- -desintegrasjon Energiforhold - : (Z,N) (Z+1,N-1) + e- + M kjerne (Z,N) = M kjerne (Z+1,N-1) + E,max + M e (+E r 0) E,max = M kjerne (Z,N) - M kjerne (Z+1,N-1) -M e M kjerne (Z,N) M(Z,N) - zm e M kjerne (Z+1,N-1) M(Z+1,N-1) - (z+1)m e E,max = M(Z,N) - zm e -(M(Z+1,N-1) -(z+1)m e ) -M e E,max = M(Z,N) - M(Z+1,N-1) = Q -

+ -desintegrasjon (rep.) X Z protoner N nøytroner A nukleoner Y Z-1 protoner N+1 nøytroner A nukleoner +! + -partikler er høyenergetiske positroner med positiv ladning.!som - -partiklene, er ikke + - partiklene monoenergetiske. e + Positron!Også for + -desintegrasjon sendes det ut en ekstra partikkel, et nøytrino.! + -partiklene kan derfor også ha energier mellom 0 og E,max. I gjennomsnitt har de en energi på 1/3 av energien som frigjøres i desintegrasjonen.!nøytrinoet er antipartiklen til antinøytrinoet og oppfører seg på samme måte. + Nøytrino

+ -desintegrasjon (rep.)!et positron er en "anti-partikkel" og er ikke stabil.!etter nedbremsing vil det reagere med et elektron. Den totale energien vil vil sendes ut som to elektromagnetiske strålingskvant.!kvantene har energi lik 511 kev, en elektronmasse.!kvantene blir sendt ut i motsatt retning av hverandre, pga. Kravet om momentbevaring.

+ -desintegrasjon Energiforhold + : (Z,N) (Z-1,N+1) + e- + M kjerne (Z,N) = M kjerne (Z-1,N+1) + E,max + M e (+E r 0) E,max = M kjerne (Z,N) - M kjerne (Z-1,N+1) - M e M kjerne (Z,N) M(Z,N) - zm e M kjerne (Z-1,N+1) M(Z-1,N+1) - (z-1)m e E,max = M(Z,N) - zm e -(M(Z-1,N+1) -(z-1)m e ) -M e E,max =M(Z,N)- M(Z-1,N+1)- 2M e =Q + -2M e Ved Q + < 2M e er kun elektroninnfangning mulig

Elektroninnfangning (rep.) X Z protoner N nøytroner A nukleoner + e - Y Z-1 protoner N+1 nøytroner A nukleoner + Nøytrino!Elektroninnfangning grupperes gjerne sammen med -desintegrasjon.!istedenfor å sende ut et positron fanges et elektron inn i kjernen.!vi får samme produktkjerne som for + - desintegrasjon, men det blir ikke sendt ut noe elektron/positron, kun et (monoenergetisk) nøytrino.!det blir sendt ut svak røntgenstråling pga. reorganiseringen av elektronstrukturen. Elektroninnfangning er således en meget strålingssvak desintegrasjonsform

! -desintegrasjon, overgang mellom to nivåer i samme kjerne, normalt rask, ~10-15 s!overgang mellom to energinivåer uten endring av nukleontall eller protontall!isomer -desintegrasjon, lang halveringstid Hvite ruter på nuklidekartet!isomere oppstår p.g.a. endring av kjernespinn med mange enheter ( 3)!F.eks. 99m Tc 99 Tc+ (142 kev) (6.0 h) (213 000 år) Normal -desintegrasjon - rask

Kjerneisomere!Kjerneisomere er nivåer med ekstremt lang halveringstid Opptil 10 15 år ( 180m Ta) Vanligvis 1s - noen dager Nedre grense ~1 s (individuelt) 99m Tc

Intern!Eksiterte nivå med lang levetid kalles for metastabile nivå.!kjerner i slike eksiterte tilstander kalles metastabile eller isomere.!vi markerer dette ved å skrive en m etter atomnummeret, i dette tilfellet blir det 99m Tc.!En metastabil kjerne er nøyaktig den samme atomkjernen som kjernen i grunntilstanden, men den har ekstra energi.!metastabile kjerner behøver ikke sende ut, men kan helt eller delvis desintegrere via andre desintegrasjonsformer

Eksotiske henfall!grunntilstandsprotoner (Hofmann 1979)!Protoner som er ubundet, men sterkt forsinket av coulombbarrieren!dobbel (med og uten nøytrino) (Elliot og Moe 1987)!Meget usannsynlig prosess, men tillatt, eneste måte å komme seg forbi en odde-odde-kjerne. Svært lange halveringstider (10 20 år)! 14 C-utsendelse (Rose og Jones 1984)!Eksotisk og spesiell desintegrasjonsform som oppstår fordi coulombbarrieren blir lav for lette, nøytronrike fragmenter.

Eksotiske henfall!forsinkede nøytroner! - -desintegrasjon med så høy energi at den overskrider bindingsenergi for nøytron Finnes også for 2 - og 3- nøytronutsendelse!forsinkede protoner! + -desintegrasjon med så høy energi at den overskrider bindingsenergi for proton!forsinket!forsinket tritium og 3 He!Forsinket fisjon

Spontan fisjon Spontan fisjon er en desintegrasjonsform som innebærer at hele kjernen sprekker opp i to tunge fragmenter (Flerov 1940)

Spontan fisjon - utbytter