766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

Samankaltaiset tiedostot
766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

Ydin- ja hiukkasfysiikka: Harjoitus 1 Ratkaisut 1

8. MONIELEKTRONISET ATOMIT

Oppikirja (kertauksen vuoksi)

Ydinfysiikkaa. Tapio Hansson

S Fysiikka III (EST) Tentti ja välikoeuusinta

Nyt n = 1. Tästä ratkaistaan kuopan leveys L ja saadaan sijoittamalla elektronin massa ja vakiot

Ydin- ja hiukkasfysiikka

TÄSSÄ ON ESIMERKKEJÄ SÄHKÖ- JA MAGNETISMIOPIN KEVÄÄN 2017 MATERIAALISTA

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

3.1 Varhaiset atomimallit (1/3)

Demo: Kahden elektronin spintilojen muodostaminen

Jakso 8: Monielektroniset atomit

VEKTORIT paikkavektori OA

Ydin- ja hiukkasfysiikka 2014: Harjoitus 5 Ratkaisut 1

Nopeus, kiihtyvyys ja liikemäärä Vektorit

13. Taylorin polynomi; funktioiden approksimoinnista. Muodosta viidennen asteen Taylorin polynomi kehityskeskuksena origo funktiolle

Atomien rakenteesta. Tapio Hansson

Fysiikan perusteet. Voimat ja kiihtyvyys. Antti Haarto

Mikrotila Makrotila Statistinen paino Ω(n) 3 Ω(3) = 4 2 Ω(2) = 6 4 Ω(4) = 1

Luku 9: Atomien rakenne ja spektrit. v=bmivwz-7gmu v=dvrzdcnsiyw

Käytetään nykyaikaista kvanttimekaanista atomimallia, Bohrin vetyatomi toimii samoin.

Kvanttifysiikan perusteet 2017

FYSIIKAN LABORATORIOTYÖT 2 MAGNEETTIKENTTÄTYÖ

Lineaariavaruudet. Span. Sisätulo. Normi. Matriisinormit. Matriisinormit. aiheita. Aiheet. Reaalinen lineaariavaruus. Span. Sisätulo.

FYSN300 Nuclear Physics I. Välikoe

Hiukkasfysiikan luento Pentti Korpi. Lapuan matemaattisluonnontieteellinen seura

Ydin- ja hiukkasfysiikka

Spin ja atomifysiikka

Juuri 4 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty Kertaus. b) B = (3, 0, 5) K2. ( )

Atomin ydin. Z = varausluku (järjestysluku) = protonien määrä N = neutroniluku A = massaluku (nukleoniluku) A = Z + N

Ch2 Magnetism. Ydinmagnetismin perusominaisuuksia.

elektroni = -varautunut tosi pieni hiukkanen nukleoni = protoni/neutroni

Voima F tekee työtä W vaikuttaessaan kappaleeseen, joka siirtyy paikasta r 1 paikkaan r 2. Työ on skalaarisuure, EI vektori!

Vedetään kiekkoa erisuuruisilla voimilla! havaitaan kiekon saaman kiihtyvyyden olevan suoraan verrannollinen käytetyn voiman suuruuteen

Fysiikka 1. Coulombin laki ja sähkökenttä. Antti Haarto

RATKAISUT: 19. Magneettikenttä

SISÄLTÖ Venymän käsite Liukuman käsite Venymä ja liukuma lujuusopin sovelluksissa

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Luento 10: Työ, energia ja teho. Johdanto Työ ja kineettinen energia Teho

H7 Malliratkaisut - Tehtävä 1

Magneettikentät. Haarto & Karhunen.

Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka Kari Sormunen Kevät 2012

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 2 Kevät 2017

raudan ja nikkelin paikkeilla: on siis mahdollista vapauttaa ytimen energiaa joko fuusioimalla tätä pienempiä ytimiä tai fissioimalla raskaampia.

Shrödingerin yhtälön johto

Coulombin laki ja sähkökenttä

Vektorialgebra 1/5 Sisältö ESITIEDOT: vektori

Kertaus. x x x. K1. a) b) x 5 x 6 = x 5 6 = x 1 = 1 x, x 0. K2. a) a a a a, a > 0

763105P JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 1 Ratkaisut 5 Kevät 2013

Teoreetikon kuva. maailmankaikkeudesta

Atomimallit. Tapio Hansson

(1) refleksiivinen, (2) symmetrinen ja (3) transitiivinen.

Fysiikka 7. Sähkömagnetismi

Matematiikassa ja muuallakin joudutaan usein tekemisiin sellaisten relaatioiden kanssa, joiden lakina on tietyn ominaisuuden samuus.

Luento Atomin rakenne

KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 Kvanttimekaaninen atomimalli

Sähköstatiikka ja magnetismi Coulombin laki ja sähkökenttä

STATIIKKA. TF00BN89 5op

1.1 Magneettinen vuorovaikutus

Suora. Määritelmä. Oletetaan, että n = 2 tai n = 3. Avaruuden R n suora on joukko. { p + t v t R},

Atomimallit. Tapio Hansson

MAB3 - Harjoitustehtävien ratkaisut:

Osallistumislomakkeen viimeinen palautuspäivä on maanantai

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 3: Vektorikentät

1.4. VIRIAALITEOREEMA

Havainnollistuksia: Merkitään w = ( 4, 3) ja v = ( 3, 2). Tällöin. w w = ( 4) 2 + ( 3) 2 = 25 = 5. v = ( 3) = 13. v = v.

BM20A5800 Funktiot, lineaarialgebra ja vektorit Harjoitus 4, Syksy 2016

Fysiikan valintakoe , vastaukset tehtäviin 1-2

PHYS-C0240 Materiaalifysiikka kevät 2017

Ch7 Kvanttimekaniikan alkeita. Tässä luvussa esitellään NMR:n kannalta keskeiset kvanttimekaniikan tulokset.

Preliminäärikoe Tehtävät A-osio Pitkä matematiikka kevät 2016 Sivu 1 / 4

Luento Ydinfysiikka. Ytimien ominaisuudet Ydinvoimat ja ytimien spektri Radioaktiivinen hajoaminen Ydinreaktiot

Luku 27. Tavoiteet Määrittää magneettikentän aiheuttama voima o varattuun hiukkaseen o virtajohtimeen o virtasilmukkaan

Ch9 Sisäiset Spinvuorovaikutukset. Molekyylin sisäisten spinvuorovaikutusten tarkempaa pohdiskelua

Perusvuorovaikutukset. Tapio Hansson

Kaikki kurssin laskuharjoitukset pidetään Exactumin salissa C123. Malliratkaisut tulevat nettiin kurssisivulle.

Kemia 3 op. Kirjallisuus: MaoL:n taulukot: kemian sivut. Kurssin sisältö

9. Vektorit. 9.1 Skalaarit ja vektorit. 9.2 Vektorit tasossa

MAB3 - Harjoitustehtävien ratkaisut:

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

a(t) = v (t) = 3 2 t a(t) = 3 2 t < t 1 2 < 69 t 1 2 < 46 t < 46 2 = 2116 a(t) = v (t) = 50

Sisältö. Magnetismin fysikaaliset perusteet. Diamagnetismi. Paramagnetismi. Magnetismin lajit Yksiköt. Petriina Paturi. Vapaat ionit Atomijoukot

Tekijä Pitkä matematiikka Poistetaan yhtälöparista muuttuja s ja ratkaistaan muuttuja r.

Liikemäärän säilyminen Vuorovesivoimat Jousivoima

A B = (1, q, q 2 ) (2, 0, 2) = 2 2q q 2 = 0 q 2 = 1 q = ±1 A(±1) = (1, ±1, 1) A(1) A( 1) = (1, 1, 1) (1, 1, 1) = A( 1) A(1) A( 1) = 1

KJR-C1001: Statiikka L2 Luento : voiman momentti ja voimasysteemit

Ratkaisu. Tarkastellaan aluksi Fe 3+ - ja Fe 2+ -ionien välistä tasapainoa: Nernstin yhtälö tälle reaktiolle on:

5.9 Voiman momentti (moment of force, torque)

S Fysiikka III (Est) 2 VK

läheisyydessä. Piirrä funktio f ja nämä approksimaatiot samaan kuvaan. Näyttääkö järkeenkäyvältä?

Luku 10: Atomien rakenne ja spektrit. Vedyn kaltaiset atomit Atomiorbitaalit Spektrisiirtymät Monielektroniset atomit

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Vektoreiden A = (A1, A 2, A 3 ) ja B = (B1, B 2, B 3 ) pistetulo on. Edellisestä seuraa

Vektorien pistetulo on aina reaaliluku. Esimerkiksi vektorien v = (3, 2, 0) ja w = (1, 2, 3) pistetulo on

Sähköstatiikka ja magnetismi

g-kentät ja voimat Haarto & Karhunen

4 Yleinen potenssifunktio ja polynomifunktio

Transkriptio:

1 76633A Ydin- ja hiukkasfysiikka Luentomonistetta täydentävää materiaalia: 3 5-3 Kuorimalli Juhani Lounila Oulun yliopisto, Fysiikan laitos, 011 Kuva 7-13 esittää, miten parillis-parillisten ydinten ensimmäisen viritetyn tilan energia riippuu neutronien lukumäärästä. Kun tämä lukumäärä on joku maagisista luvuista, viritysenergia on poikkeuksellisen korkea. Tämä osoittaa, että maagisen luvun kohdalla ylin miehitetty energiataso ja sen yläpuolella oleva seuraava (ensimmäinen tyhjä) energiataso ovat poikkeuksellisen kaukana toisistaan. Spin-rata-vuorovaikutus: Maagisten lukujen selittämiseksi on oletettava, että jokainen nukleoni kokee keskimääräisen potentiaalienergian u(r) lisäksi voimakkaan spin-rata-vuorovaikutuksen (engl. spin-orbit interaction). Sen on oltava suoraan verrannollinen nukleonin rataimpulssimomentin l ja spinimpulssimomentin s skalaarituloon l s. Koska nukleonin kokonaisimpulssimomenttivektori j on l:n ja s:n vektorisumma, j = l + s, j:n itseisarvon neliö (ts., j:n skalaaritulo itsensä kanssa) on j = j j = (l + s) (l + s) = l + s + l s. (M5.1)

Yhtälön (3.1) mukaan impulssimomenttien itseisarvojen neliöt voidaan kirjoittaa muodossa j = j(j + 1) h, l = l(l + 1) h, s = s(s + 1) h, (M5.a) (M5.b) (M5.c) missä j, l ja s ovat ko. impulssimomenttien kvanttilukuja. Nukleonin (protonin tai neutronin) spinkvanttiluku on s = 1, joten s(s + 1) = 3. Kvanttimekaniikan yleisten sääntöjen mukaan kahden mielivaltaisen impulssimomentin J 1 ja J (kvanttiluvut J 1 ja J ) summan J = J 1 + J kvanttiluvun J mahdolliset arvot ovat J 1 +J, J 1 +J 1,..., J 1 J. Nyt tarkasteltavassa tapauksessa J 1 = l (J 1 = l) ja J = s (J = s = 1 ), joten kokonaisimpulssimomentin kvanttiluvun J = j mahdolliset arvot ovat j = l + 1 (l ja s ovat samansuuntaiset ) ja j = l 1 (l ja s ovat vastakkaissuuntaiset ). Näin ollen yhtälöstä (N5.1) ratkaistu l s on l s = 1 [ j l s ] = 1 h [j(j + 1) l(l + 1) s(s + 1)] = 1 [( h l ± 1 ) (l ± 1 ) + 1 l(l + 1) 3 ] = 1 [ h l ± 1 l + l ± 1 l + 1 ± 1 l l 3 ] = 1 [ h ±l ± 1 1 ] = { 1 l h j = l + 1 1 (l + 1) h j = l 1 (M5.3) Koetulosten mukaan tilalla j = l + 1 on alempi energia kuin tilalla j = l 1 (kun l on sama), joten ko. vuorovaikutus suosii l:n ja s:n samansuuntaista orientaatiota. Tämä on päinvastoin kuin atomin elektronin spin-rata-vuorovaikutuksessa ja osoittaa, että nukleonin spin-rata-vuorovaikutus ei johdu sähkömagneettisista voimista. Nukleonin tila: Nukleonin tila osoitetaan symbolilla nx j, missä n on pääkvanttiluku (n = 1,, 3,...) ja j = l ± 1 on kokonaisimpulssimomenttivektorin j kvanttiluku (j = 1, 3, 5,...). Rataimpulssimomentin l kvanttiluku l osoitetaan kirjaimella x siten, että l:n arvoja 0, 1,, 3,, 5,... vastaavat samassa järjestyksessä kirjaimet s, p, d, f, g, h,.... Tila voi olla esimerkiksi 1s 1/ (n = 1, l = 0, j = 1 ), 1p 1/ (n = 1, l = 1, j = 1 ), p 3/ (n =, l = 1, j = 3 ) jne. Parittoman nukleonin magneettinen momentti: Kuten kappaleessa 3- on osoitettu, nukleonin rataliike aiheuttaa magneettisen momentin l = e M p g l l N h g ll, (M5.) missä protonilla g l = 1 ja neutronilla g l = 0 (koska neutronilla ei ole sähkövarausta). Myös nukleonin spin aiheuttaa oman magneettisen momenttinsa, joka on yhtälön (3.1) mukaan s = e M p g s s N h g ss, (M5.5)

missä g s on nukleonin Landén tekijä (protonilla +5, 5855 ja neutronilla 3, 863). Nukleonin magneettinen momentti on osuuksien (M5.) ja (M5.5) vektorisumma: = l + s = N h (g ll + g s s). (M5.6) Tästä yhtälöstä nähdään, että magneettinen momentti ei ole samansuuntainen kuin kokonaisimpulssimomenttivektori j = l + s. Sen voidaan ajatella olevan nopeassa prekessioliikkeessä j:n suunnan ympäri. Tällöin efektiiviseksi magneettiseksi momentiksi jää :n aikakeskiarvo, joka on sama kuin :n komponentti vektorin j suunnassa. Jos vektorien ja j välinen kulma on θ, :n komponentin pituus j:n suunnassa on cos θ = n, missä n = j/ j on j:n suuntainen yksikkövektori. Näin ollen :n komponenttivektori impulssimomenttivektorin j suunnassa (= j:n suuntainen vektori, jonka pituus on n) on = ( n) n = ( j j ) j j = j j j. 3 (M5.7) Tämän vektorin komponentti z-akselin (esimerkiksi ulkoisen magneettikentän) suunnassa on z = j j j z = j j m j h. (M5.8) Tämän komponentin suurin mahdollinen arvo saadaan m j :n maksimiarvolla m j = j: z max = j j j h. (M5.9) Kuten kappaleen 3- lopussa todettiin, taulukoissa annetuilla ydinten magneettisilla momenteilla ei tarkoiteta vektorin pituutta vaan sen z-komponentin maksimiarvoa. Näin ollen yhtälön (M5.9) mukaista suuretta z max voidaan pitää nukleonin magneettisena momenttina. Jos ytimen magneettinen momentti aiheutuu sen yhdestä parittomasta nukleonista, lauseke (M5.9) approksimoi koko ytimen magneettista momenttia. Yhtälöitä (M5.a), (M5.6) ja (M5.9) käyttäen magneettiselle momentille saadaan lauseke N = z max = (j + 1) h (g ll j + g s s j). (M5.10) Lausekkeiden s = j l ja l = j s skalaaritulot itsensä kanssa ovat s = j + l j l ja l = j + s j s, joten yhtälössä (M5.10) esiintyvät skalaaritulot ovat l j = 1 ( j + l s ) = 1 [ j(j + 1) + l(l + 1) 3 ] h, (M5.11a) s j = 1 ( j l + s ) = 1 [ j(j + 1) l(l + 1) + 3 ] h. (M5.11b) Jos j = l + 1, kvanttiluvun l paikalle on sijoitettava l = j 1. Tällöin lausekkeet (M5.11) saavat muodon l j = 1 [ ( j(j + 1) + j 1 ) ( j + 1 ) 3 ] h = 1 ( j + j + j 1 3 ) h = 1 ( j + j 1 ) h = 1 (j 1) (j + 1) h, (M5.1a) s j = 1 [ ( j(j + 1) j 1 ) ( j + 1 ) + 3 ] h = 1 ( j + j j + 1 + 3 ) h = 1 (j + 1) h. (M5.1b)

Tässä tapauksessa magneettinen momentti (M5.10) on (yksikköä N käyttäen) ( = j 1 ) g l + 1 N g s, kun j = l + 1. (M5.13) Toisena vaihtoehtona on j = l 1 (l = j + 1 ), jolloin saadaan tulokset l j = 1 [ ( j(j + 1) + j + 1 ) ( 3 ] h = 1 ( j + j + j + 3 j + 1 j + 3 3 ) h = 1 ( j + 3j ) h = 1 j (j + 3) h, (M5.1a) s j = 1 [ ( j(j + 1) j + 1 ) ( + 3 ] h = 1 ( j + j j 3 j 1 j 3 + 3 ) h = 1 j h. (M5.1b) Nämä tulokset antavat magneettisen momentin (M5.10) lausekkeeksi = j [( g l 1 ] N j + 1 g s, kun j = l 1. (M5.15) Kuten edellä todettiin, ytimessä olevan parittoman nukleonin magneettisen momentin (M5.13) tai (M5.15) voidaan olettaa kuvaavan koko ytimen magneettista momenttia. Samalla tavalla ko. parittoman nukleonin kokonaisimpulssimomentin j (kvanttiluku j) voidaan olettaa kuvaavan itse ytimen impulssimomenttia, ts. spinimpulssimomenttia I (kvanttiluku I, joka on ytimen spin). Näin ollen yhtälöistä (M5.13) ja (M5.15) saadaan sijoituksella j = I ennusteet parittoman massaluvun A omaavan ytimen magneettiselle momentille. Nämä ennusteet, ns. Schmidtin viivat, on esitetty kuvassa 15-19. Jos pariton nukleoni on protoni, saadaan kuvan ylempi osa. Tällöin g l = 1 ja g s = 5, 5855. Jos tässä tapauksessa I = j = l + 1, yhtälöstä (M5.13) saadaan ylempi Schmidtin viiva N = I 1 + 1 g s = I +, 98, kun j = l + 1. (M5.16) Se on suora, jonka kulmakerroin on 1. Jos I = j = l 1, yhtälöstä (M5.15) saadaan alempi Schmidtin viiva. Se on käyrä, joka lähestyy suurilla spinin I arvoilla suoraa, jonka kulmakerroin on 1. Jos pariton nukleoni on neutroni, ennusteita esittää kuvan 15-19 alempi osa. Tällöin g l = 0 ja g s = 3, 863. Tässä tapauksessa ylempi Schmidtin viiva saadaan, kun I = j = l 1. Kuvasta nähdään, että useimpien ydinten todelliset kokeelliset magneettiset momentit eivät asetu Schmidtin viivoille, vaan niiden väliin. Tämä osoittaa, että kuorimallin antama kuvaus ydinten magneettisista momenteista on varsin karkea approksimaatio.

5