Estructura de la Materia IV

Clases teóricas: Norberto N. Scoccola (scoccola@tandar.cnea.gov.ar)

Clases de problemas: Ezequiel Álvarez (sequi@df.uba.ar) Javier Tiffenberg (vierjat@gmail.com)

Clases: Martes: 17:00 a 20:00Jueves: 17:00 a 20:00

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Bibliografia:

K.S. KRANE, “Introductory Nuclear Physics”, Wiley, New York, 1987.

E. HODGSON, E.GADIOLI y E. GADIOLI ERBA, “Introductory Nuclear Theory”, Oxford Science Press, New York, 1997.

D. GRIFFITHS, “Introduction to Elementary Particles” , Wiley & Sons, New York, 1987

F. HALZEN y A. MARTIN, “Quarks and Leptons: An Introductory Course in Modern Particle Physics”, Wiley & Sons, New York, 1984

BREVE INTRODUCCION HISTORICA

1895: Roentgen descubre los rayos X.

1896: Becquerel descubre los rayos α, β y γ.

1896-1900: Identificación de rayos α, β y γ por Rutherford y Villard.

1897: Thompson identifica el electrón.

1900: Planck propone una explicación del espectro de cuerpo negro en terminos de “cuantos” de energía.

1905: Einstein propone una explicación del efecto fotoeléctrico en términos de“cuantos” de luz. Tambien introduce la relatividad restringida y explicael “movimiento browniano” dando realidad física al concepto de átomo.

1911: Rutherford realiza experimentos de dispersión de partículas αdescubriendo el núcleo atómico.

1913: Utilizando las ideas de Rutherford sobre la constitución del átomo e introduciendo la cuantificación de la orbitas electrónicas, Bohr lograexplicar el espectro de radiación del átomo de H (serie de Balmer(1885), etc).

1919: Primera reacción nuclear por parte de Rutherford (bombardeo de Ncon α’s: α + 14N → p + 17O). Identificación del protón.

1923: Experimento de dispersión de luz por Compton reafirma la existenciadel “cuanto” de luz, es decir el fotón.

1925-1926: Heisenberg y Schrödinger formulan la mecánica cuántica.

1927: Dirac incorpora la relatividad a la mecánica cuántica y propone laexistencia de anti-partículas.

1931: Anderson descubre el positrón (rayos cósmicos).

1931: Pauli propone la existencia del neutrino para explicar el decaimiento β

1932: Descubrimiento del neutrón por Chadwick (bombardeo de Be con α’s).

1934: Yukawa propone la existencia del mesón π para explicar la interacciónnuclear.

1937: Descubrimiento del muón (inicialmente confundido con el mesón π)(rayos cósmicos).

1946 – 1950: Establecimiento de la QED (Electrodinámica Cuántica)

1947: Powell identifica el mesón π (rayos cósmicos).

1947-1949: Identificación del mesón K, primer mesón con extrañeza (rayos cósmicos).

1950: Identificación de la partícula Λ, primer barión con extrañeza (rayos cósmicos).

1950-1960: Identificación de nuevos mesones y bariones extraños.

1955: Segrè y Chamberlain descubren el antiprotón usando el Bevatron (Berkeley, US).

1961-1964: Proposición del modelo de quarks por Gell-Mann, Ne’eman y Zweig.

1967: Glashow, Weimberg y Salam proponen la Teoría ElectroDébil que unifica lasinteracciones electromagnéticas y débiles. Propuesta del bosón de Higgs.

1973: Se propone la Cromo Dinámica Cuántica (QCD) para explicar la interacciónentre quarks.

1974: Descubrimiento del J/ψ (usando los aceleradores de Brookhaven y SLAC, US) ypropuesta de una nueva generación de quarks: quarks con charm.

1983: Descubrimiento de los bosones W± y Z0 (CERN, Suiza-Francia).

1977’s-presente: Descubrimiento de quarks bottom (1977) y top (1995) en FERMILAB (US). Establecimiento del modelo Standard de partículas elementales y sus interacciones.

Fig.1: Imagen pictórica de la estructura atómica y subatómica

Fig .2: Escalas de distancias características de las distintas "capas" de la materia.

Fig 3: Escalas de energías características de las distintas "capas" de la materia.

1 eV = 1.60 x 10-19 C x 1 V = 1.60 x 10-19 J

Fig.4 Espectro de energía del átomo de H

Fig.5 Ejemplo de espectros de energías de núcleos

Fig. 6: Espectro de masas de mesones y bariones livianos (formados por quarks u,d,s)

Particle Data Group, W.-M. Yao et al., Journal of Physics G 33, 1 (2006) [ http://pdg.lbl.gov/]

Fig.7: Constituyentes de la materia según el Modelo Standard

Fig.8: Diagrama esquemático de un espectrómetro de masas

/

q E q v B

v E B

=

=

En selector de velocidades

por lo que

En zona principal

mvrq B

=

Figura 9: Distribuciones angulares de electrones de 185 MeVdispersados por distintos núcleos. Las curvas que pasan a través de los datos experimentales corresponden a ajustes teóricos.

Fig.9b: Descripción esquemática de la difracción de Fraunhofer y comportamiento de la intensidad en función del ángulo de dispersión.

Fig. 10: Gráfico de ρ(r) vs r donde se ilustra el significado de los distintos parámetros que aparecen en

0( )1 exp[( ) / ]

rr R aρρ =

+ −

donde

30

1/3

0.165 nucleones /

1.20.6

fm

R A fma fm

ρ ≅

≅≅

Un buen ajuste se obtiene usando

Fig.11: Momentos cuadrupolares.

(a) momento cuadrupolar positivo (prolado);

(b) momento cuadrupolar negativo (oblado).

Fig. 12: Energía de ligadura media por nucleón para los núcleidos más estables como función del numero de masa.

Fig. 13: Forma esquemática de la tabla de nucleidos. Aparecen en ella los nucleidos estables y aquellos que pueden decaer mediante distintos tipos de procesos. Las "drip lines" de protones y neutrones indican los puntos a partir de los cuales el proceso de emisión de nucleones empieza a ser energéticamente posible y, por lo tanto precede al decaimiento beta.

Fig. 14: Detalle de la tabla de nucleidos en la zona A < 22 , Z < 10, N < 12