ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ I ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ. ιάλεξη 1a: 15/Νοε../2004. Κ.Ν. Παπανικόλας, Ε. Μαυροµµάτη. Φθινόπωρο 2004

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ I ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ. ιάλεξη 1a: 15/Νοε../2004. Κ.Ν. Παπανικόλας, Ε. Μαυροµµάτη. Φθινόπωρο 2004"

Χλωρίς Κορνάρος
4 χρόνια πριν
Προβολές:

1 ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ I ιάλεξη 1a: 15/Νοε../2004 Κ.Ν. Παπανικόλας, Ε. Μαυροµµάτη ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Φθινόπωρο 2004

2 I AKTEA YΛH: Εισαγωγή. Φαινοµενολογία (Επανάληψη) Αλληλεπίδραση Νουκλεονίου Νουκλεονίου Κβαντοµηχανική Πολλών Σωµάτων Πυρηνική Θεωρία Μέσου Πεδίου Πρότυπα Πυρηνων: Αέριο Φέρµι Ανεξάρτητου Σωµατίου και Φλοιώδης οµή Συσχετισµοί ιασπάσεις και αποδιεγέρσεις: α, β, γ Στοιχεία Πυρηνικής Αστροφυσικής Μετρήσεις και Πειράµατα

3 ΘΕΜΑΤΑ ΙΑΛΕΞΗΣ Τι πραγµατεύεται η Πυρηνική Επιστήµη Πυρηνικά συστήµατα Πυρηνικά φαινόµενα Ο οδικός µας χάρτης Περιγραφή και βαθµοί ελευθερίας Θεµελιακοί το καθιερωµένο πρότυπο Ενεργοί (Νουκλεόνια & µεσόνια) Χαρακτηριστικά µεγέθη Μονάδες

4 ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΕΠΙΣΤΗΜΗ Η Επιστήµη Πυρηνικά Συστήµατα Πυρηνικά Φαινόµενα Οι Εφαρµογές της Πυρηνική Ενέργεια Πυρηνική Ιατρική, Αρχαιοµετρία, Συντήρηση Τροφίµων, Βιολογία κλπ. Πυρηνικά Όπλα Πού και πως διεξάγεται Παρατηρησιακά (λ.χ. Παρατηρήσεις ακτίνων γ από ουράνια σώµατα) Πυρηνικά εργαστήρια (Επιταχυντές, αντιδραστήρες, Πηγές Ακτινοβόλησης..)

5 Πυρηνική Επιστήµη Ηπυρηνική επιστήµη επιζητά να δώσει µια θεµελειακή κατανόηση της ισχυρά αλληλοεπιδρούσας ύλης. Των αλληλεπιδράσεων που την κυβερνούν Την θερµοδυναµική της συµπεριφορά Την δοµή των πυρηνικών συστηµάτων Ελπίζουµε να αποκοµίσουµε Την κατανόηση του σύµπαντος και του κόσµου γύρω µας. Την κατανόηση της προέλευσης και δοµής της αδρονικής ύλης. Τον έλεγχο και αξιοποίηση της γνώσης αυτής.

6 ΠΥΡΗΝΙΚΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ Το ορατό σύµπαν κυριαρχείται από πυρηνικά φαινόµενα. Ατοµικοί Πυρήνες: η ύλη του πλανητικού µας συστήµατος. Καίρια ερωτήµατα: Ποιά τα δοµικά συστατικά των πυρηνικών Συστηµάτων Ποιες οι αλληλεπιδράσεις τους

7 ΠΥΡΗΝΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Τα αδρόνια (Νουκλέονια και Μεσόνια) Οι ατοµικοί πυρήνες Ουράνια σώµατα (λ.χ. αστέρες νετρονίων) Το σύµπαν στα πρώτα δευτερόλεπτα µετά την γένεση του.

8 Ηπυρηνική φυσική της εξέλιξης του Σύµπαντος

9 ιάγραµµαφάσεων της Πυρηνικής Υλης 170 MeV Temperature

10 Supernova remnants

11 Αστέρας Νετρονίων Φλοιός ρ 4 10 gm 3 cm Υγρό n,p,e Υπερευστό n (superfluid) Ύλη κουάρκς ρ 4ρ ο Συνήθεις πυρήνες + ελεύθερα ηλεκτρόνια 14 gm ρ ρο cm πυρήνες " πάστα";

13 Ατοµικοί Πυρήνες

14 Πυρηνική Θεωρία ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΛΟΓΊΑ (Αδρονικά Πρότυπα) ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΛΟΓΊΑ (Αλληλεπίδραση ΝΝ) ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΛΟΓΊΑ (Πυρηνικά υµαµικά, µέσου πεδίου) Καθιερωµένο πρότυπο ΚΧ Αδρονική Φυσική Κβαντική Θεωρία Πολλών Σωµάτων Πυρηνικά Πρότυπα??? Θεωρίες Πλέγµατος Χειραλική ιαταρακτική Θεωρία κ.λ.π. Αναλογία µε Ερµηνεία Πυρηνικών Φαινοµένων Ατοµική Φυσική

15 Αλληλεπιδράσεις

16 ΦΕΡΜΙΟΝΙΑ

17 Μεσόνια

18 Βαρυόνια

19 Μποζόνια

20 Αλληπεπιδράσεις και φορείς

21 Βαθµοί Ελευθερίας Ένα από τα θεµελιακά ερωτήµατα της σύγχρονης Πυρηνικής Φυσικής, είναι ο εντοπισµός των κατάλληλων βαθµών ελευθερίας για την περιγραφή των πυρηνικών φαινοµένων που είδαµε στην προηγούµενη ενότητα. Σήµερα η κατάσταση αυτή βρίσκεται στο ακόλουθο σηµείο: α) Πιστεύουµε ότι ξέρουµε τους «θεµελιακούς» βαθµούς ελευθερίας οι οποίοι είναι αυτοί του «καθιερωµένου πρότυπου». β) Έχουµε επιµέρους, πετυχηµένες περιγραφές (φαινοµενολογικές) των περισσοτέρων φαινοµένων, σε ένα µη σχετικιστικό, δυναµικό πλαίσιο µε όρους µεσονίων + νουκλεονίων και την χρήση δυναµικών µε την χρήση «ενεργών» βαθµών ελευθερίας. γ) εν έχουµε ποσοτική, µόνο επιµέρους ποιοτική περιγραφή της µετάβασης από τους «θεµελιακούς» στους «ενεργούς(effective)» βαθµούς ελευθερίας.

22 Θεµελιακά ερωτήµατα 1. Ποιοι είναι οι κατάλληλοι βαθµοί ελευθερίας για την περιγραφή των πυρήνων Νουκλεόνια Μεσόνια Κουάρκς & γκλουόνια ; 2. Χαρακτηρισµός της πυρηνικής ύλης Καταστατική εξίσωση ( & επί µέρους χαρακτηρισµός π.χ. συµπιεστότητα) Θεωρία πολλών σωµάτων & πειράµατα σε βαρείς πυρήνες

23 Κβαντική Χρωµοδυναµική (ΚΧ -QCD) και Πυρηνική Φυσική 1. Είναι γενικά αποδεκτό ότι η Κβαντική Χρωµοδυναµική είναι η θεωρία που περιγράφει την ισχυρά αλληλεπιδρούσα ύλη. Συστατικά: Κουάρκς & γκλουόνια Τα πυρηνικά δυναµικά (λ.χ. Παρισιού) θα προκύψουν σαν αποµεινάρι της ΚΧ σε µεγάλες αποστάσεις (Όπως το δυναµικό Lewart Jones εµφανίζεται στην µοριακή φυσική, αποµεινάρι της δύναµης Coulomb). 2. Οι λύσεις της ΚΧ στην περιοχή της έσµευσης δεν µοιάζουν καθόλου µε αυτές της ιδιαίτερα απλής περιοχής των υψηλων ενεργειών. Αιτία: Παρεµβάλλονται δύο αλλαγές φάσεις (περίπου στα 200 MeV) έσµευση Σπάσιµο της χειραλικής συµµετρίας 3. Η επίτευξη και κατανόηση των λύσεων αυτών αποτέλει µία από τις µεγάλες προκλήσεις του αιώνα µας! Μπορούµε να ανaµένουµε µεγάλες εκπλήξεις (λ.χ. Pentaquarks)

24 Πυρηνικές Κλίµακες Σε κάθε φυσικό σύστηµα αντιστοιχούν κάποιες «κλίµακες» που χαρακτηρίζουν. Ποίες είναι οι κατάλληλες για τα πυρηνικά συστήµατα. Μάζα: Μέγεθος (µήκος): Πυκνότητα: Ενέργεια: Χρόνος:

25 Χαρακτηριστική Μάζα Εξαιρετικά δύσκολο και άλυτο σε θεµελειακό ( µέχρι σήµερα) πρόβληµα. Η κλίµακα δίνεται πρωταρχικά από την µάζα των νουκλεονίων (Mp = 938 MeV) και κατά δεύτερο λόγο από την µάζα του ελαφρότερου µποζονίου, του πιονίου (Mπ = 138 MeV). Ν.Β. Το άθροισµα των συστατικών του πρωτονίου (uuq) είναι µόλις 12 MeV ενώ η µάζα του είναι 938 MeV!

26 Χαρακτηριστικό Μήκος Εξαιρετικά δύσκολο και άλυτο σε θεµελειακό ( µέχρι σήµερα) πρόβληµα. Σε θεµελειακό επίπεδο αυτό σχετίζεται µε το άλυτο πρόβληµα της δέσµευσης. Μπορούµε όµως να καταλάβουµε ότι το χαρακτηριστικό µήκος είναι αυτό της ακτίνας του νουκλεονίου που σχετίζεται άµεσα µε το µήκος κύµατος compton του πιονίου. Compton λ = h m c C = wavelength πιονίων : 1.4fm

27 Χαρακτηριστικός Χρόνος Όριο Αιτιότητας (Causal Time): Ο χρόνος που απαιτείται για να διασχίσει πυρήνα κάποιο φωτόνιο. l t v ml p = (1GeV 2)(1 fm) c (0.2 εώς 0.02) GeV < t < 2 10 Χαρακτηριστική Συχνότητα : Η περίοδος καποιας «τυπικής» πυρηνικής Ταλάντωσης [λ.χ. του γιγαντιαίου διπολικού συντονισµού ( Giant Dipole Resonance περίπου Ε=20 MeV ) ή του συντονισµού (Ε=300 MeV) Ε t h h 1 t = E c hc E 23 s = 1 c 197(MeV fm) 1MeV s 22 s

28 Πυρηνικές Κλίµακες Μέγεθος (µήκος, Όγκος) Μάζα: Μάζα Νουκλεονίου Πυκνότητα: Ενέργεια: Χρόνος: R N = m m N = 938 MeV c 2 ρ = m N / V N E = m N c 2 t causal = R N / c = s

29 Πυρηνικές κλίµακες Εξαιρετικές και εντυπωσιακές. Οι εµπειρίες µας και οι διαισθήσεις µας δεν βοηθούν Στις περισσότερες περιπτώσεις απαιτείται χρήση κβαντικής φυσικής όχι όµως και σχετικότητας.

30 Μονάδες Ήδη έγινε προφανές ότι ορισµένες µονάδες και συνδυασµοί µονάδων έχουν ιδιαίτερη χρησιµότητα στους υπολογισµούς µας: hc 197Mev fm c fm s 1 m m p e = 938MeV = 0.511MeV c 2 c 2 2 e 4πε α = o 1.44MeV fm 1 4πε o 2 e hc = 1 137

31 Πυρηνική Θεωρία ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΛΟΓΊΑ (Αδρονικά Πρότυπα) ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΛΟΓΊΑ (Αλληλεπίδραση ΝΝ) ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΛΟΓΊΑ (Πυρηνικά υµαµικά, µέσου πεδίου) Καθιερωµένο πρότυπο ΚΧ Αδρονική Φυσική Κβαντική Θεωρία Πολλών Σωµάτων Πυρηνικά Πρότυπα??? Θεωρίες Πλέγµατος Χειραλική ιαταρακτική Θεωρία κ.λ.π. Ερµηνεία Πυρηνικών Φαινοµένων

32 Κλασσική Πυρηνική Θεωρία ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΛΟΓΊΑ (Αλληλεπίδραση ΝΝ) ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΛΟΓΊΑ (Πυρηνικά υµαµικά, µέσου πεδίου) Κβαντική Θεωρία Πολλών Σωµάτων (Μη σχετικιστική) ΠυρηνικάΠρότυπα Καταστστική Εξίσωση Πυρηνικές Αντιοδράσεις Φυσική των Πυρήνων Πυρηνική Αστροφυσική και Κοσµολογία Πυρηνική Τεχνολογία Ερµηνεία Πυρηνικών Φαινοµένων

33 Positron Emission Tomography (PET) (Τοµογραφία Εκποµπής Ποζιτρονίων)

34 SPECT (Single Photon Emission Tomography) Γ.Λούντος et al. ΙΕΣΕ 2002

Σχετικά έγγραφα

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ & ΤΑ ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΑ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ & ΤΑ ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΑ Ν. Γιόκαρης,, (Κ.Ν.( Παπανικόλας) & Ε. Στυλιάρης ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ,, 016 Χαρακτηριστικές Κλίμακες και Μονάδες Κλασσική & Κβαντική Εικόνα Πεδίου Η