Física Nuclear y de Partículas 2005/2006 Tema 1

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1 TEMA 1 INTRODUCCIÓN. CONCEPTOS BÁSICOS CONTENIDOS Breve introducción histórica. Átomos, electrones y núcleos. Quarks y leptones. Interacciones fundamentales. Escala de las fuerzas y distancias subatómicas. Unidades de Física Nuclear y de Partículas. Repaso de procesos de dispersión y secciones eficaces. 1

2 BREVE INTRODUCCIÓN HISTÓRICA Algunos de los acontecimientos más importantes en la historia de la física nuclear han sido: 2

3 ÁTOMOS, ELECTRONES Y NÚCLEOS DE QUÉ ESTÁN HECHAS LAS COSAS? MATERIA ~ 10-9 m ÁTOMO ~ m NÚCLEO ~ m NUCLEÓN < m Átomo Electrón Protón Neutrón Quarks FÍSICA MATERIALES FÍSICA ATÓMICA FÍSICA NUCLEAR FÍSICA DE PARTÍCULAS 3

4 ÁTOMOS, ELECTRONES Y NÚCLEOS Tabla de los Elementos 4

5 ÁTOMOS, ELECTRONES Y NÚCLEOS TABLA DE ISÓTOPOS Neutrones 5

6 COMPONENTES DE LOS NÚCLEOS Los núcleos están formados por protones y neutrones. NOTACIÓN: Un núcleo atómico viene descrito por: 6

7 QUARKS Y LEPTONES Toda la materia está formada a partir de combinaciones de tan solo 12 fermiones (espín ½) (6 quarks y 6 leptones). Los quarks no existen como partículas libres (propiedad de confinamiento). Se agrupan en ternas para formar los bariones (p,n,λ,σ,ξ,ω...) o en parejas para formar los mesones (π,κ,η0,ρ,ω...). Mesones y bariones se denominan hadrones. Leptones y quarks interaccionan entre sí a través del intercambio de bosones (espín entero). 7

8 INTERACCIONES FUNDAMENTALES LAS 4 INTERACCIONES DE LA NATURALEZA GRAVITACIONAL NUCLEAR DÉBIL Positrón? Muón Masa Gravitón Electrón Bosón Z Antimuón Intensidad : Alcance : Infinito Intensidad : Alcance : m 8

9 INTERACCIONES FUNDAMENTALES LAS 4 INTERACCIONES DE LA NATURALEZA ELECTROMAGNÉTICA NUCLEAR FUERTE Fotón Gluón Electrón Electrón Quark Quark Intensidad : 10 2 Alcance : Infinito Intensidad : 1 Alcance : m 9

10 ESCALA DE LAS FUERZAS Y DISTANCIAS SUBATÓMICAS Del mismo modo que en física atómica se trabaja con energías del orden del ev y con distancias del orden del Angstrom (10-10 m), en física nuclear se suele trabajar con energías de MeV y distancias de fermis (1 fm = m). En general existe en torno a un factor 10 5 entre la física atómica y la nuclear. Es útil recordar en los cálculos el valor del producto de las constantes: (h/2π)*c = 1973 ev*angstrom (ATÓMICA) (h/2π)*c = MeV*fm (NUCLEAR) 10

11 UNIDADES DE FÍSICA NUCLEAR Y DE PARTÍCULAS A continuación figuran algunas constantes y parámetros típicos que se emplean en física nuclear: 11

12 UNIDADES DE FÍSICA NUCLEAR Y DE PARTÍCULAS SISTEMA DE UNIDADES NATURALES Hemos usado la relación E=mc 2 y tomado c = 1, para expresar las masas en unidades de energía. Para pasar al sistema internacional (esto es, a gramos), podemos hacer: [MeV] = [ev] * 10 6 = [J] * 1.6*10-19 * 10 6 = 1.6*10-13 * [J] Para el protón, por ejemplo: MeV =1.501*10-10 J m[protón] = 1.501*10-10 J / c(m/s) 2 = 1.501*10-10 J / (2.998 * 10 8 ) 2 (m/s) 2 = 1.67*10-27 g 12

13 REPASO DE PROCESOS DE DISPERSIÓN Y SECCIONES EFICACES Sección eficaz para la dispersión Consideremos un haz uniforme de partículas cargadas, todas con la misma masa y energía que inciden sobre un centro de fuerzas, por ejemplo, un núcleo. El haz incidente está caracterizado por su intensidad o flujo I, que mide el número de partículas que atraviesan el área normal al haz en la unidad de tiempo. La dirección final de cada partícula del haz será diferente debido a la dispersión por el núcleo. Se denomina sección eficaz para la dispersión s(φ) al número de partículas dispersadas en el ángulo sólido dω por unidad de tiempo, dividido entre la intensidad incidente. 13

14 REPASO DE PROCESOS DE DISPERSIÓN Y SECCIONES EFICACES La sección eficaz diferencial para la dispersión elástica de electrones relativistas fue obtenida por Mott Hipótesis supuestas: La carga eléctrica nuclear es puntual El espín nuclear es cero No existe retroceso nuclear Para núcleos no puntuales y densidad ρ( r) con simetría esférica: 14

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