Jaderná
fyzika - otázky Jaderná
fyzika - otázky
1 Struktura a vlastnosti atomového jádra
1. Atomové jádro. Objasněte pojem atomové jádro. Z kterého experimentu vyplývá existence atomového jádra? Stručně popište tento experiment a jeho výsledky. Uveďte základní vlastnosti atomového jádra. Definujte vazebnou energii jádra, napište vztah pro výpočet vazebné energie na základě znalosti hmotnosti jádra. Vysvětlete, proč je možné udávat v jaderné fyzice místo klidové hmotnosti jader jejich klidovou energii v MeV, definujte MeV, uveďte Einsteinův vztah ekvivalence hmotnosti a energie. Srovnejte řádovou hodnotu vazebné energie jader s řádovými hodnotami ionizační energie atomu nebo disociační energie molekuly.
2. Objev protonu. Stručně popište experiment, při kterém byl objeven proton. Kdo ho objevil? Proveďte rozbor experimentu, stručně popište princip mlžné komory a vysvětlete proč detekuje pouze nabité částice. Napište schéma příslušné přeměny a proveďte bilanci elektrického náboje během přeměny. Uveďte základní char1akteristiky protonu a srovnejte je s charakteristikami elektronu a neutronu. Zařaďte proton do systému elementárních částic. V čem spočívá význam objevu protonu pro rozvoj představ o struktuře jádra?
3. Vývoj modelů struktury jader. Charakterizujte model jádra založený na protonech a model jádra založený na elektronech. Uveďte experimentální východiska každého modelu. Stručně popište představy modelů. Uveďte experimentální skutečnosti, které tyto modely nedokázaly objasnit. Srovnejte tyto představy se stavem současných poznatků, objasněte původ hmotnostního úbytku jádra, objasněte původ a vlastnosti sil, které drží jádro pohromadě, objasněte anomální hodnotu gyromagnetického poměru jádra, objasněte původ elektronů emitovaných některými jádry.
4. Objev neutronu. Stručně popište experiment, při kterém byl objeven neutron. Kdo ho objevil? Proveďte rozbor experimentu, napište schéma příslušné přeměny a proveďte bilanci elektrického náboje během přeměny. Uveďte základní charakteristiky neutronu a srovnejte je s charakteristikami elektronu a protonu. Zařaďte neutron do systému elementárních částic. V čem spočívá význam objevu neutronu pro rozvoj představ o struktuře jádra?
5. Heisenbergův-Ivaněnkův model jádra. Uveďte základní představy tohoto modelu. Jak tento model objasňuje stabilitu jádra obsahujícího protony? Uveďte základní vlastnosti jaderných sil. Napište vztah pro určení náboje jádra na základě znalosti počtu protonů v jádře. Napište vztah pro výpočet hmotnosti jádra na základě znalosti počtu protonů a neutronů v jádře a jeho hmotnostního úbytku. Objasněte původ hmotnostního defektu, proč není hmotnost jádra rovna součtu hmotností částic, z nichž se jádro skládá? Definujte pojem symetrické jádro.
6. Nukleon. Uveďte dva významy pojmu nukleon. Zařaďte nukleony do systému elementárních částic, uveďte jejich základní charakteristiky. Pozorujeme u nukleonů další vnitřní strukturu nebo je lze považovat za bodové částice? Srovnejte vlastnosti jednotlivých nukleonů. Objasněte pojem izospin.
7. Nuklidy. Objasněte pojem nuklid. Definujte protonové, neutronové a nukleonové číslo. Uveďte a vysvětlete symboliku značení nuklidu. Objasněte pojmy prvek, izotop, izoton, izobar, izomer a radionuklid. Srovnejte pojem izomer v jaderné fyzice s pojmem izomer v chemii.
8. Základní charakteristiky atomového jádra. Uveďte základní charakteristiky atomového jádra. Definujte jednotlivé charakteristiky, jejich vzájemné vztahy, popřípadě uveďte, jakých hodnot mohou nabývat. Uveďte, v jakých jednotkách se jednotlivé charakteristiky udávají.
9. Jaderné síly. Objasněte podstatu jaderných sil. Uveďte základní vlastnosti jaderných sil. Vysvětlete předpoklady Yukawovy teorie jaderných sil. Proveďte odhad hmotnosti mezonů na základě dosahu jaderných sil.
10. Radioaktivita. Objasněte jev radioaktivity. Vysvětlete pojem radioaktivní přeměna a srovnejte s pojmem jaderná přeměna. Uveďte známé typy radioaktivního záření. Objasněte podstatu jednotlivých typů radioaktivního záření. Vysvětlete rozdíl mezi umělou a přirozenou radioaktivitou. Napište diferenciální tvar zákona radioaktivní přeměny a popište jednotlivé veličiny, které v něm vystupují. Objasněte statistickou podstatu tohoto zákona. Definujte aktivitu a její jednotku. Na základě diferenciálního tvaru zákona určete využitím metody separace proměnných exponenciální tvar tohoto zákona. Slovně definujte poločas přeměny T. S využitím exponenciálního tvaru zákona určete jeho vztah s rozpadovou konstantou. Nakreslete graf závislosti počtu nepřeměněných jader v závislosti na čase. Na grafu demonstrujte význam poločasu přeměny. Za jakou dobu se přemění všechna jádra radioaktivní látky? Jakých hodnot může poločas přeměny nabývat, uveďte příklady.
11. Radioaktivní přeměna. Objasněte pojem radioaktivní přeměny. Uveďte známé typy radioaktivních přeměn. U každé přeměny uveďte schéma přeměny a objasněte jaký prvek po přeměně vzniká, případně pod vlivem které ze základních interakcí přeměna probíhá. Definujte separační energii pro jednotlivé typy radioaktivních přeměn. Jaké znaménko musí mít hodnota těchto separačních energií? Objasněte pojem radioaktivní přeměnová řada (rozpadová řada). Kolik je známo typů přeměnových řad a proč existuje pouze tento počet řad? Jmenujte jednotlivé typy řad (uveďte alespoň jeden významný člen a konečný člen každé řady).
12. Stabilita jader. Objasněte graf stability atomových jader. Definujte protonové a neutronové číslo. Nakreslete náčrtek grafu stability a objasněte na něm pojem linie stability. Objasněte, proč pro lehká jádra leží linie stability na přímce Z = N, zatímco pro těžší jádra je N mírně větší než Z. Definujte vazebnou energii na jeden nukleon – eV. Proč je eV vhodnější charakteristikou k posouzení stability jádra než vazebná energie jádra? Nakreslete graf závislosti eV na nukleonovém čísle. Která jádra jsou nejstabilnější a proč? Ukažte na tomto grafu, které typy reakcí jsou exoenergetické. Objasněte pojmy: mapa nuklidů, údolí nuklidů, pevnina nuklidů a ostrov stability.
13. Jaderné reakce. Objasněte pojem jaderná reakce. Napište obecné schéma zápisu jaderné reakce. Uveďte zákony zachování, které musí být splněny u jaderných reakcí. Uveďte znění každého zákona a zapište jej pomocí rovnice. U každého zákona zachování uveďte definici zachovávající se veličiny a její jednotku. Dále uveďte podmínky platnosti jednotlivých zákonů.
14. Typy jaderných reakcí. Definujte energii reakce. Uveďte dělení reakcí z hlediska hodnoty energie reakce. Vysvětlete pojem aktivační, resp. prahová energie reakce. Vysvětlete pojem binární reakce a uveďte alternativní schéma zápisu binární reakce. Uveďte dělení reakcí z hlediska hmotnosti reaktantů a produktů jaderné reakce.
15. Reakce štěpná a slučovací. Definujte pojmy štěpná jaderná reakce a slučovací jaderná reakce. Uveďte alternativní pojmenování slučovací reakce. Načrtněte graf závislosti vazebné energie na nukleon v závislosti na nukleonovém čísle a objasněte na něm, v jakých případech budou tyto typy reakcí exoenergetické. Uveďte podmínky, za kterých mohou uvedené typy reakcí probíhat a proveďte jejich srovnání. Popište princip řetězové štěpné reakce na příkladu štěpení uranu. Za jakých podmínek reakce probíhá lavinovitě? Objasněte pojem řízená řetězová reakce. K čemu se používá moderátor? Uveďte příklady moderátorů a látek, které pohlcují neutrony. Uveďte alespoň řádovou hodnotu energie reakce. Stručně popište princip jaderného reaktoru a jaderné elektrárny. Popište princip slučovací reakce na příkladu slučování deuteria. Je v současnosti slučovací reakce zvládnuta po technické stránce tak, aby mohla být využita např. v energetice? Uveďte, kde v přírodě probíhají slučovací jaderné reakce a jaký to má pro nás význam.
16. Modely atomového jádra. Stručně popište kapkový model jádra a jeho použití. Napište Weizsäckerovu formuli pro výpočet vazebné energie jádra a objasněte původ jednotlivých členů v této formuli. Popište slupkový model atomového jádra. Uveďte experimentální východiska slupkového modelu a jeho základní předpoklady. Na základě slupkového modelu objasněte, proč pro lehká jádra leží linie stability v blízkosti přímky N = Z a proč pro stabilní těžší jádra začíná převažovat počet neutronů. Uveďte některé další modely atomového jádra.
17. Elementární částice. Objasněte pojem elementární částice. Uveďte základní rozdělení elementárních částic. Uveďte typické vlastnosti jednotlivých skupin částic. Uveďte zástupce jednotlivých skupin a jejich základní charakteristiky. Jakým způsobem je možné částice detekovat?
18. Charakteristiky elementárních částic. Uveďte základní fyzikální charakteristiky elementárních částic a jejich definice i jednotky. Objasněte význam jednotlivých charakteristik, zejména v případě , že nemají klasickou analogii.
19. Zákony zachování. Uveďte zákony zachování, které musí být splněny při přeměnách elementárních částic. Uveďte znění zákona a zapište jej pomocí rovnice. U každého zákona zachování uveďte definici zachovávající se veličiny a její jednotku. Dále uveďte podmínky platnosti jednotlivých zákonů. Srovnejte se zákony zachování v jaderných reakcích.
20. Antičástice. Objasněte pojem antičástice. Uveďte, které charakteristiky antičástice jsou stejné jako u částice a které mají opačné znaménko. Objasněte pojmy (skutečně) neutrální částice a elektricky neutrální částice a uveďte příklady. Objasněte pojmy kreace a anihilace částic. Uveďte podmínky, za kterých k těmto procesům může dojít – které zákony zachování musí být splněny. Rozeberte tvrzení používané zejména v populárněvědecké literatuře: “Hmota se mění na čistou energii“ z hlediska Einsteinova vztahu ekvivalence hmotnosti a energie.
21. Kvarková hypotéza. Vysvětlete experimentální východiska a základní předpoklady kvarkové hypotézy. Vysvětlete vztah pojmů parton a kvark. Objasněte pojem asymptotické volnosti kvarků. Uveďte známé kvarky a jejich charakteristiky. Objasněte pojem barva kvarku. Stručně popište kvarkovou strukturu nukleonů a mezonů p.
22. Systém základních částic a základní fyzikální interakce. Popište současný systém základních částic. Uveďte základní částice látky. Uveďte typické vlastnosti jednotlivých skupin. Vyjmenujte zástupce jednotlivých skupin a uveďte jejich vlastnosti. Uveďte základní fyzikální interakce. Seřaďte tyto interakce podle relativní síly. Uveďte dosah jednotlivých interakcí. Uveďte zprostředkující částice jednotlivých interakcí. Odvoďte přibližný vztah mezi hmotností zprostředkující částice a dosahem interakce. Uveďte příklady fyzikálních systémů a procesů, při kterých se významně uplatňují jednotlivé typy interakcí. Objasněte pojem sjednocování interakcí.
