-
RNDr. Vojtěch Ullmann: Fyzika - fundamentální přírodní věda.
AstroNuklFyzika ® Jaderná fyzika - Astrofyzika - Kosmologie -
Filosofie
Fyzika a nukleární medicína
1. Jaderná a radiační fyzika 1.0. Fyzika - fundamentální
přírodní věda
1.1. Atomy a atomová jádra 1.2. Radioaktivita
1.3. Jaderné reakce 1.4. Radionuklidy
1.5. Elementární částice 1.6. Ionizující záření
1.0. Fyzika - fundamentální přírodní věda
V této úvodní kapitole se pokusíme nastínit některé
metodologické aspekty stavby fyziky a jejího začlenění do kontextu
ostatní přírodovědy a vědeckého poznání vůbec. Tyto metodologické
poznámky mohou být zajímavé např. pro studenty a zájemce
nefyzikálních profesí, kteří si chtějí udělat ucelený obraz o
fyzikálních aspektech zkoumání přírody.
Příroda a její členění Nebudeme zde explicitně definovat pojem
příroda, o němž má každý víceméně jasnou intuitivní představu.
Budeme se přidržovat univerzalistické koncepce, že příroda je úplně
všechno, co jest, co má objektivní existenci. Konec konců, i
některé "duševní" pochody a představy, pokud lze (aspoň v principu)
identifikovat a lokalizovat jejich "zakódování" v neuronové síti
mozku, lze zahrnout do souhrnného pojmu "příroda". V základech
veškerého vědeckého zkoumání leží proces kategorizace. Skutečnost,
která je ve své komplexnosti příliš složitá a různorodá, si
rozdělujeme podle určitých kritérií na jednodušší skupiny -
kategorie, které zkoumáme zvlášť. Výsledky zkoumání jednotlivých
kategorií pak můžeme zobecňovat a příp. syntetizovat - shrnout je
do obecnějšího rámce, zahrnujícího širší skupinu jevů - celek.
Analytický a syntetický přístup, ve své dialektické jednotě, tvoří
obecnou metodu vědeckého poznávání skutečnosti.
Vědění: věda + zkušenost Vědění každého (vzdělaného) člověka
vychází ze dvou složek: ♦ Věda, poskytující objektivní, univerzální
a reprodukovatelné poznatky. Tyto sdělené poznatky však nemusí být
vždy správně pochopeny a interpretovány. ♦ Zkušenost, která může
být sice subjektivní a někdy i mylná, avšak pokud odráží realitu,
může poskytnout ostřejší a konkrétnější vhled do skutečnosti.
Jednota těchto dvou složek vytváří zdravý a jasný lidský rozum,
umožňující správně se orientovat v dění našeho světa. Složitější
situace je u jevů nepřístupných našemu smyslovému poznání - jevy v
mikrosvětě či velmi
http://astronuklfyzika.cz/JadRadFyzika0.htm (1 of 13)
[15.10.2008 12:12:58]
XeoneText BoxAktuální verze na
http://www.sweb.cz/AstroNuklFyzika/index.htm
-
RNDr. Vojtěch Ullmann: Fyzika - fundamentální přírodní věda.
vzdáleném vesmíru, kde se musíme spolehnout na zkoumání pomocí
přístrojových metod (zkumavky, urychlovače, detektory, dalekohledy
atd.) a naučit se analyzovat, reflektovat a aplikovat takto
zjištěná fakta. Heroickým úsilím badatelů se podařilo pomocí těchto
metod získat dalekosáhlé, dříve netušené, poznatky o vnitřní stavbě
hmoty i o struktuře a evoluci vesmíru.
Informovanost - vzdělání - moudrost Nynější svět je plný
informací. Vědomosti na úrovni informací však nemusejí ještě
znamenat vzdělanost a moudrost. Znalost sama o sobě je prázdná. Aby
znalosti a informace získaly skutečný význam a hodnotu - přešly ve
vzdělanost a posléze v moudrost, musí být uskutečněna komplexní
několikastupňová cesta poznání: ♦ Získávání faktických informací a
znalostí - studiem, komunikací s druhými, osobní zkušeností,
vědeckým výzkumem. ♦ Vnitřní pochopení těchto informací, hledání
jejich vzájemných souvislostí a zařazení do kontextu s ostatními
oblastmi. ♦ Uvedení poznatků a vědomostí do praxe, jejich
konfrontace s různými měnícími se okolnostmi. ♦ Klást si nové
otázky o podstatě těchto jevů a událostí, pokusit se najít
vysvětlení. Vyvodit z nich závěry užitečné pro "vlastní duši" - pro
svůj světový názor, vztahy k přírodě a svým bližním. Každá z těchto
etap skýtá i určitá rizika omylů a zabloudění na zcestí. Např. u
poslednho bodu se občas stává, že na základě jen povrchního studia,
částečného poznání a nedostatečného pochopení, si ukvapeně
vymyslíme bizarní a chybné vysvětlení. Někteří lidé s nedostatkem
sebereflexe na těchto mylných koncepcích tvrdošíně setrvávají;
nazývají je "alternativní vědou" (často se setkáváme s pracemi
různých těch "geniálních autorů" vyvracejících teorii relativity či
budujících dalekosáhlé "unitární teorie" hmoty a vesmíru na bázi
psychotroniky, různých "energií", jemno a hrubo-hmotnosti a
podobného arzenálu nepochopených pojmů)... Mezilidské vztahy jsou
často založeny na zdůrazňování "vlastního já", což nenechává
dostatek prostoru pro porozumění a naslouchání jiným, pro ocenění
jejich předností a zkušeností, které by mohly obohatit i ono "naše
já". Současný trend diktuje lidem, aby byli informováni. Přemíra
informací však brání jejich skutečnému pochopení a využití - je
vlastně překážkou k dosažení opravdového vzdělání a především
moudrosti - "méně je někdy více".
Rozdělit přírodu do kategorií lze pomocí různých kritérií.
Nejstarší členění přírody, s nímž jsme se každý setkali v
nejútlejším dětském věku při prvních krůčcích poznání, je rozdělení
přírody na živou a neživou přírodu. Z lidského hlediska
přistupujeme k živé přírodě s většími sympatiemi přináležitosti
"živého k živému", než k přírodě neživé. Z fyzikálního hlediska je
však rozdělení na živou a neživou přírodu bezpředmětné *): tytéž
základní přírodní zákony platí jak pro neživou, tak pro živou
přírodu. *) Odhlížíme zde od toho, že je někdy nesnadné rozhodnout,
zda některé jednoduché organické systémy zařadit mezi živé či
neživé; to je užší problém molekulární biologie a organické
biochemie. Rovněž další jednoduché dělení přírody na pozemskou a
vesmírnou je překonané a fyzikálně neopodstatněné: nyní již víme,
že přírodní děje probíhající zde na Zemi, i v nejvzdálenějších
končinách vesmíru, se řídí stejnými univerzálními fyzikálními
zákony. Skutečně opodstatněné a objektivní dělení přírody podle
převládajících a určujících fyzikálních zákonitostí je
následující:
■ Makrosvět Je to ta část přírody, kde platí běžné a dobře známé
a ze zkušenosti vypozorované zákonitosti klasické fyziky (tj.
nerelativistické a nekvantové) - Newtonovy zákony klasické
http://astronuklfyzika.cz/JadRadFyzika0.htm (2 of 13)
[15.10.2008 12:12:58]
-
RNDr. Vojtěch Ullmann: Fyzika - fundamentální přírodní věda.
mechaniky, zákony klasické elektrodynamiky atd. Kromě běžných
těles zde na Zemi to jsou např. i planety sluneční soustavy.
■ Mikrosvět Zkoumáme-li detaily složení hmoty v měřítcích
menších než cca 10-8cm, tj. v atomárních a subatomárních měřítcích,
zjišťujeme, že některé zákonitosti klasické fyziky zde již dobře a
přesně "nefungují", ztrácejí platnost a musí být nahrazeny zákony
kvantové fyziky. Strohý determinismus klasické fyziky zde již
neplatí a je nahrazen stochastickými zákonitostmi "rozmazaných" a
vlnících se částic.
■ Megasvět Podobně když jdeme do velkých vzdáleností a měřítek
vesmíru v kosmologii, cca 106 světelných let a větších, přestávají
rovněž přesně fungovat některé zákonitosti klasické fyziky a
objevují se zákonitosti nové - zákony Einsteinovy speciální a
především obecné teorie relativity. Dominantní roli pro stavbu a
vývoj vesmíru zde začíná hrát zakřivení prostoročasu (podrobnosti
viz kniha "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu").
Uvedené tři kategorie přírody nemají zdaleka ostré hranice a
často se prolínají. A to i tak vzdálené oblasti jako je megasvět a
mikrosvět - např. termonukleární reakce v nitru Slunce či
vzdálených hvězd, a dokonce i procesy samotného vzniku vesmíru
("velký třesk"), jsou řízeny kvantovými zákonitostmi jaderné fyziky
a interakcí elementárních částic.
Přírodní vědy Ve vzdálené minulosti (starověku a středověku)
byla jen jedna věda zvaná filosofie, která zahrnovala všechny
oblasti tehdejšího lidského vědění - společnosti, přírody,
medicíny, náboženství, historie atd. Skutečných poznatků bylo málo,
převládaly spekulace a dohady, konvenční tradované názory a
náboženská dogmata. Stručný přehled vývoje poznatků o přírodě,
zvláště pak o vesmíru, prostoru, času, elektřině a gravitaci, od
starověku až po současnost, je podán v §1.1 "Historický vývoj
poznatků o přírodě, vesmíru, gravitaci" knihy "Gravitace, černé
díry a fyzika prostoročasu"). S rostoucím poznáním přírody již
nebylo možné obsáhnout vše v rámci filosofie, z níž se proto
postupně vyčleňovaly a oddělovaly přírodní vědy. Základní dělení
přírodních věd je na základě hlavních okruhů přírodních jevů a
objektů, kterými se zabývají:
■ Fyzika - je fundamentální přírodní věda, která zkoumá
nejobecnější, nejzákladnější a nejjednodušší jevy, které leží v
nejvnitřnější podstatě veškerého přírodního dění (řec. "fýsis" =
příroda, přirozenost). Zákonitosti objevované fyzikou mají
univerzální charakter - platí všude "na Zemi i na nebi", v nitru
atomů, uvnitř živých buněk i v nejvzdálenějších galaxiích ve
vesmíru. Jevy zkoumané fyzikou jsou reprodukovatelné: zajistíme-li
stejné podmínky, proběhne kdykoli a kdekoli daný fyzikální jev s
jistotou vždy stejným způsobem *). Univerzální poznatky a metody
fyziky pak slouží jako základ pro ostatní přírodní vědy, které na
ně navazují a pokračují ve zkoumání složitějších specifických
systémů, potažmo pak i pro filosofii a společenské vědy.
http://astronuklfyzika.cz/JadRadFyzika0.htm (3 of 13)
[15.10.2008 12:12:58]
-
RNDr. Vojtěch Ullmann: Fyzika - fundamentální přírodní věda.
*) V kvantové fyzice se toto tvrzení vztahuje na relativní
pravděpodobnosti jednotlivých způsobů interakcí, které se přesně
projevují při analýze velkého počtu jednotlivých interakcí. Jevy
nereprodukovatelné ("jedna paní povídala", různé "zázraky",
astrologická, parapsychologická a jiná šarlatánská tvrzení a pod.)
nejsou předmětem fyzikálního bádání; fyzika je k nim skeptická, i
když jejich existenci přímo nepopírá - spíše se k nim nevyjadřuje
(viz též pasáž "Šarlatánství versus přírodověda" v §1.1 knihy
"Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu").
■ Chemie - je věda o chemických reakcích - o slučování atomů
prvků a jejich vazbách do molekul sloučenin. Zkoumá vlastnosti
těchto sloučenin, jejich další vzájemné reakce slučování či
rozkladu. Podstatou chemického slučování jsou elektrické přitažlivé
síly mezi atomy, které si při dostatečném vzájemném přiblížení
sdílejí část obalových elektronů ve valenční slupce. Konvenčně se
chemie obvykle dělí na dvě velké části: chemii anorganickou a
organickou. Organická chemie je v podstatě chemií sloučenin uhlíku
(především s vodíkem - uhlovodíky, ale i s dusíkem, sírou, fosforem
a dalšími prvky), o nichž se dříve myslelo, že je vytvářejí pouze
živé organismy.
■ Biologie - je věda zkoumající živé organismy - jejich stavbu,
vývoj, metabolismus, druhové členění, vzájemné vztahy. Základem
biologie je nauka o stavbě a činnosti buňky jakožto základního
stavebního kamene organismů. Biologické děje v buňkách i v celém
organismu jsou založeny na chemických reakcích především složitých
organických sloučenin uhlíku, vodíku, kyslíku, dusíku, síry,
fosforu a dalších prvků, které probíhají převážně ve vodním
prostředí. Konvenčně se biologie dělí na botaniku rostlin a
zoologii živočichů, jejíž součástí je i biologie člověka, na niž
pak navazuje i medicína.
■ Matematika Matematika vznikla původně v kontextu přírodovědy
jako disciplína, která systemizovala a kvantifikovala počet,
velikost a poziční vztahy reálných hmotných těles a objektů. Další
vývoj matematiky, především od 18.stol, však vedl k osamostatnění
matematiky jakožto exaktní abstraktní vědy, pracující na základě
logiky s abstraktními pojmy a strukturami. Vedle zákonů matematické
logiky je základem matematiky teorie množin, mezi jejímiž prvky
jsou definovány operace zobrazení. Zákonitostmi číselných množin se
zabývá aritmetika a algebra s navazujícím aparátem matematické
analýzy, diferenciálního a integrálního počtu. Bodovými množinami
se zabývá geometrie a topologie, která studuje i vícerozměrné
variety nejen eukleidovské, ale i zakřivené. V přírodních vědách je
matematika cenným nástrojem pro kvantifikaci přírodních dějů a
zákonitostí, jejich modelování a porovnávání.
■ Filosofie Filosofie v nynějším pojetí není samozřejmě
přírodní, nýbrž převážně humanitní vědou. Součástí filosofie je
však i teorie poznání - gnoseologie či noetika (dříve též
epistemologie), která má úzký vztah s přírodovědou. Filosofie
dovede klást hluboké a zásadní otázky, avšak sama o sobě na ně není
schopna věrohodně odpovědět - pomocí
http://astronuklfyzika.cz/JadRadFyzika0.htm (4 of 13)
[15.10.2008 12:12:58]
-
RNDr. Vojtěch Ullmann: Fyzika - fundamentální přírodní věda.
čistě filosofických spekulací lze dospět k nejrůznějším, často
protichůdným závěrům. Přírodní vědy poskytují pro filosofii
nepostradatelný zdroj pozitivních (věrohodných, objektivních)
informací - poznatků, které filosofie může "zastřešit" a začlenit
do uceleného světového názoru (tento světový názor může být více či
méně adekvátní, podle úrovně vědění a serióznosti filosofického
přístupu). Hlavní rozdíl mezi filosofií a přírodovědou je možno
zjednodušeně vyjádřit tak, že přírodní vědy poskytují ověřené a
fungující poznatky, zatímco filosofie poskytuje spíše názory (tyto
názory však mohou být důležité "pro naši duši"...). Některé "styčné
body" mezi astrofyzikou a filosofií jsou rozebírány v
přírodovědně-filosofické práci "Antropický princip aneb kosmický
Bůh".
Zmíněný metodický postup, při němž se biologické děje vysvětlují
chemickými reakcemi a chemické reakce zase fyzikálními interakcemi
atomů, se označuje jako redukcionismus - složitější jevy se snažíme
redukovat a vysvětlit pomocí jevů jednodušších. Permanentním
předmětem diskusí přírodovědců a filosofů je otázka, zda toto
redukcionistické schéma bilogie Ü chemie Ü fyzika lze či nelze
(aspoň v principu) aplikovat i na vyšší nervovou činnost -
psychické a duševní pochody v lidské mysli ..?..
Metodické členění fyziky Podle metody a stylu práce při zkoumání
přírodních zákonitostí lze fyziku dělit do tří oblastí:
�● Experimentální fyzika zkoumá přírodní zákonitosti metodou
provádění pokusů, při nichž se za přesně definovaných podmínek
pozoruje a měří průběh zkoumaného jevu. Při těchto experimentech je
třeba se soustředit na podstatu konkrétního děje a pokud možno
odizolovat nebo zkorigovat všechny rušivé vlivy, které by mohly
zkreslit výsledky pozorovaného děje. Éra jednoduchých mechanických
experimentů patří minulosti, nynější experimentální fyzika pracuje
s velmi složitými aparaturami s elektronickým počítačovým
vyhodnocováním. Např. obrovské urychlovače elementárních částic,
vybavené precizní detekční elektronikou, jsou nejsložitějšími
zařízeními, jaké kdy lidé sestrojili.
�● Teoretická fyzika (zvaná též matematická fyzika) analyzuje
výsledky experimentů, zobecňuje a porovnává je. Pomocí
matematických metod a modelů formuluje fyzikální zákony, většinou
ve formě matematických vzorců a rovnic. Snaží se vytvářet fyzikální
teorie, které by zahrnovaly co nejširší skupinu pozorovaných jevů,
popř. předpovídaly i jevy nové.
�● Aplikovaná fyzika (zvaná též technická fyzika) se zabývá
tvůrčím uplatněním fyzikálních poznatků z experimentů a teorie v
různých oblastech vědy a techniky, průmyslu, medicíny atd. Veškeré
vymoženosti moderní techniky (zvláště pak elektroniky) jsou
založeny na aplikaci fyzikálních poznatků.
http://astronuklfyzika.cz/JadRadFyzika0.htm (5 of 13)
[15.10.2008 12:12:58]
-
RNDr. Vojtěch Ullmann: Fyzika - fundamentální přírodní věda.
Oborové členění fyziky Podle konkrétních skupin zkoumaných
přírodních jevů se fyzika člení do velkého počtu oborů a
specializací (je jich více než sto), z nichž zde vyjmenujeme jen
několik nejzákladnějších (každý z nich má řadu podoborů a
specializací, včetně mezioborových) :
�● Mechanika (klasická mechanika) je nejstarším oborem fyziky,
který se zabývá nejzákladnějšími zákonitostmi pohybu těles. K
vyšetřování pohybu těles, který je jak známo relativní, je třeba
vytyčit vztažnou soustavu opatřenou 3 prostorovými souřadnicemi a
měřením času. V mechanice se nejčastěji používá tzv. inerciální
vztažná soustava, v níž je splněn Newtonův zákon setrvačnosti. Tři
prostorové souřadnice a jedna časová tvoří 4-rozměrný prostoročas,
který je v rámci klasické mechaniky pouhou myšlenkovou konstrukcí,
avšak hraje klíčový význam v teorii relativity (o níž podrobně
pojednává kniha "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu").
Vlastním popisem pohybu - tvar dráhy, rychlost, zrychlení - se
zabývá kinematika (bez analýzy příčin tohoto pohybu). Silovým
působením těles a vztahem síly a pohybu se zabývá dynamika, která
je založena na třech proslulých Newtonových zákonech: zákonu
setrvačnosti, zákonu síly a zrychlení a zákonu akce a reakce. Při
popisu pohybu pevných těles se často používá aproximace hmotného
bodu: těleso se nahradí jeho těžištěm, do něhož se soustředí
veškerá hmotnost tělesa. Součástí klasické mechaniky je i Newtonův
gravitační zákon a jeho aplikace na "nebeskou mechaniku" pohybů
planet ve sluneční soustavě. Vlastnostmi pohybů v kapalinách a
plynech se zabývá hydrodynamika a aeromechanika, které jsou
součástí mechaniky kontinua. .....................
�● Termika a termodynamika se zabývá tepelnými jevy - podstatou
tepla, teplotou, přenosem a šířením tepla, přeměnami tepelné
energie. Úzká souvislost termiky s mechanikou spočívá v kinetické
teorii tepla, podle níž je teplo projevem kinetické energie pohybů
atomů či molekul dané látky. Termodynamika zformulovala tři
základní zákony: 1.zákon termodynamiky - zákon zachování
tepla∼energie; 2.zákon termodynamiky - samovolný přechod tepla jen
z teplejšího na chladnější těleso, jinak též zákon růstu entropie
izolované soustavy; 3.zákon termodynamiky - nemožnost dosažení
absolutní nuly teploty (0°K) konečným počtem kroků. Termodynamika
dále studuje závislosti objemů, tlaků, hustot na teplotě, fázové
přechody atd. Termodynamika nerovnovážných systémů - synergetika -
ve své koncepci "organizovaného chaosu" nabízí zajímavé možnosti
pochopení procesů evoluce hmoty a snad i mechanismů vzniku života
(viz např. pasáž "Determinismus - náhoda - chaos?").
�● Elektřina a magnetismus - elektrodynamika zkoumá elektrické a
magnetické jevy. Nositeli elektrických vlastností - elektrických
nábojů - jsou základní elementární částice: protony (+) a elektrony
(-). Základním zákonem
http://astronuklfyzika.cz/JadRadFyzika0.htm (6 of 13)
[15.10.2008 12:12:58]
-
RNDr. Vojtěch Ullmann: Fyzika - fundamentální přírodní věda.
elektřiny je Coulombův zákon elektrostatiky o vzájemném silovém
působení elektrických nábojů. Pohybem elektrických nábojů vzniká
magnetické pole, pohybem nebo časovou proměnností magnetického pole
se indukuje pole elektrické a naopak. Sloučená nauka o elektřině a
magnetismu se nazývá elektrodynamika, v níž je elektromagnetické
pole popsáno Maxwellovými rovnicemi (viz §1.5 "Elektromagnetické
pole. Maxwellovy rovnice." knihy "Gravitace, černé díry a fyzika
prostoročasu"). Proměnné elektromagnetické pole se může prostorem
(i vakuem) šířit ve formě elektromagnetických vln, a to rychlostí
světla.
�● Optika je nauka o vzniku, šíření a vlastnostech světla. Úzká
souvislost s elektrodynamikou je dána tím, že světlo není ničím
jiným než elektromagnetickým vlněním o příslušné vlnové délce.
Vlnová délka viditelného světla je v rozmezí od cca 750 nm (vidíme
jej jako červené světlo) do cca 360 nm (fialové světlo); optika se
však zabývá i blízkými oblastmi infračerveného a ultrafialového
záření. Různá rychlost elektromagnetického vlnění v různých
látkových prostředích je příčinou lomu světla, od některých
předmětů se světlo odráží, jindy je pohlcováno. Geometrická optika
studuje zákony lomu a odrazu světla a jejich využití pro optické
zobrazování (v mikroskopech či dalekohledech). Vlnová optika pak
vlnové projevy světla jako je ohyb, interference, polarizace.
Kvantová optika studuje procesy vyzařování a absorbce světla na
kvantové atomární a molekulární úrovni. Tyto procesy jsou využívány
ve spektrometrii a v optoelektronice při vzájemné přeměně
světelných a elektrických signálů.
�● Atomová a jaderná fyzika zkoumá stavbu a vlastnosti atomů a
atomových jader, v kontextu s vlastnostmi elementárních částic.
Podává podrobný obraz detailů struktury hmoty a přesvědčivě
vysvětluje řadu důležitých jevů na atomární a subatomární úrovni,
od nichž se odvíjí všechny vlastnosti a projevy hmoty, včetně
radioaktivity i chemických reakcí. Aplikace zákonitostí jaderné
fyziky na jevy ve vesmíru - tzv. jaderná astrofyzika - dokáže
vysvětlit původ prvků ve vesmíru (nukleogeneze - viz "Jsme potomky
hvězd!" nebo "Kosmická alchymie") i fungování hvězd (termonukleární
reakce v jejich nitru - viz část "Evoluce hvězd" v §4.1 "Úloha
gravitace při vzniku a evoluci hvězd" knihy "Gravitace, černé díry
a fyzika prostoročasu"). Atomové a jaderné fyzice, včetně fyziky
elementárních částic, je věnována v podstatě celá Kapitola 1
"Jaderná a radiační fyzika" stávající monografie "Jaderná fyzika a
fyzika ionizujícího záření".
Vedle specializovaných fyzikálních oborů, zabývajících se
konkrétními skupinami jevů, jsou součástí struktury fyziky i dvě
významné teoretické koncepce moderní fyziky, které mají obecnější
charakter a jdou "napříč obory" :
■ Teorie relativity - speciální a obecná Speciální teorie
relativity, vytvořená A.Einsteinem v r.1905, se zabývá fyzikálními
zákonitostmi při vysokých rychlostech pohybu, blízkých rychlosti
světla. Ukazuje, že rychlost světla je univerzální konstantou,
nezávislou na pohybovém stavu zdroje a
http://astronuklfyzika.cz/JadRadFyzika0.htm (7 of 13)
[15.10.2008 12:12:58]
-
RNDr. Vojtěch Ullmann: Fyzika - fundamentální přírodní věda.
pozorovatele, je to maximální rychlost šíření interakcí. Při
vysokých rychlostech dochází ke změnám prostorových měřítek a chodu
času - kontrakci délek a dilataci času. Rovněž setrvačná hmotnost
těles je při rychlém pohybu větší než hmotnost klidová (a při
přiblížení rychlosti světla dokonce roste k nekonečnu!). Kromě
astrofyziky a kosmologie se speciální teorie relativity zásadním
způsobem uplatňuje ve fyzice elementárních částic, pohybujících se
vysokými rychlostmi. Veškeré elektromagnetické jevy mají ve svých
základech implicitně obsaženy zákonitosti speciální teorie
relativity. Speciální teorie relativity je podrobněji vyložena v
§1.6 "Čtyřrozměrný prostoročas a speciální teorie relativity" knihy
"Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu". Obecná teorie
relativity, završená rovněž A.Einsteinem v r.1916, je
relativistickou teorií gravitace a zároveň prostoročasu. Na zákldě
univerzálnosti gravitační interakce, vyjádřené v lokálním principu
ekvivalence, je gravitační pole interpretováno jako zakřivený
prostoročas. Hmota svým tenzorem energie-hybnosti zakřivuje
prostoročas, tj. budí gravitační pole, podle Einsteinových rovnic
gravitačního pole. Tento Einsteinův gravitační zákon zpřesňuje a
zobecňuje klasický Newtonův gravitační zákon na situaci silných
gravitačních polí. Obecná teorie relativity hraje klíčovou úlohu a
astrofyzice (konečná stádia evoluce hvězd - gravitační kolaps,
neutronové hvězdy, černé díry, horizonty) a v kosmologii (vznik,
stavba a vývoj vesmíru, kosmologické modely, inflační expanze
vesmíru a pod.). Obecná teorie relativity, spolu s jejími důsledky
v astrofyzice a kosmologii, je podrobně vykládána v monografii
"Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu", především v kapitole
2 "Obecná teorie relativity - fyzika gravitace", v kapitole 4
"Černé díry" a kapitole 5 "Relativistická kosmologie".
■ Kvantová fyzika Při studiu spekter elektromagnetického
vyzařování, fotoefektu a zákonitostí mikrostruktury hmoty, byla v
prvních dekádách 20.stol. zformulována kvantová mechanika, podle
níž je elektromagnetické záření vyzařováno nikoli kontinuálně, ale
po kvantech. Vlny se mohou chovat jako částice, částice zase jako
vlny - korpuskulárně-vlnový dualismus. Deterministické zákony
klasické fyziky jsou zde nahrazeny stochastickými zákony
kvantovými, umožňujícími stanovit pouze pravděpodobnosti
jednotlivých konkrétních jevů. Proslulý kvantový Bohrův molel
atomu, po svém dalším zdokonalení, velmi dobře vysvětluje všechny
pozorované jevy s atomy, včetně spekter jejich záření. Aplikace
kvantových zákonitostí na teorii pole vedla ke vzniku kvantové
teorie pole, která pomocí kvantově oscilujících polí,
ekvivalentních částicím, velmi dobře vysvětluje interakce
elementárních částic v mikrosvětě.
Významné přírodovědecké objevy - náhoda nebo metoda? Kontinuita
vědeckého poznávání přírody, jehož počátky můžeme sledovat zhruba
od 16.století, byla čas od času narušena - v pozitivním smyslu -
zásadními objevy, které podstatně urychlily poznání zkoumaných
jevů, odhalily nové jevy či změnily metodiku a směr bádání.
Zamysleme se krátce nad úlohou, jakou při těchto objevech sehrála
náhoda a jakou systematický metodický postup. Všimneme si z tohoto
hlediska třech případů: ♦ Objev magnetického účinku elektrického
proudu učiněný H.Ch.Oerstedem v r.1820.
http://astronuklfyzika.cz/JadRadFyzika0.htm (8 of 13)
[15.10.2008 12:12:58]
-
RNDr. Vojtěch Ullmann: Fyzika - fundamentální přírodní věda.
Nebýt náhodného položení magnetky na pracovním stole, dělal by
Oersted dál řadu pokusů s elektrickými obvody, ale souvislost mezi
elektrickým proudem a magnetismem by nezpozoroval. ♦ Objev
rentgenového záření učiněný W.C.Röntgenem v r.1895. Je stručně
popsáno v §3.2 "Rentgenová diagnostika". Nebýt zakrytí výbojové
trubice černým papírem a náhodného stínu na světélkujícím stínítku,
nebyl by možná Roentgen vkládal mezi trubici a stínítko různé
předměty (včetně své ruky). Dělal by dál zajímavé pokusy s
katodovými trubicemi stejně jako desítky dalších experimentátorů v
té době, ale nové pronikavé záření by asi nenašel. ♦ Objev
radioaktivity učiněný v r.1896 H.Becquerelem. Je stručně popsáno v
§1.2 "Radioaktivita". Nebýt náhodného uložení minerálů, určených ke
zkoumání (světelné) luminiscence, na světlotěsně zabalenou
fotografickou desku a náhodného vyvolání této (doměle "čisté",
neexponované) desky, zkoumal by Becquerel nadále luminiscenci
vybuzenou slunečním světlem a o neviditelném radioaktivním záření,
vycházejícím z nitra některých látek, by neměl tušení. Lze z
historie těchto a řady jiných případů soudit, že významné objevy
jsou snad dílem pouhé náhody? Rozhodně ne! Platí zde známé přísloví
"náhoda přeje připraveným". Tito badatelé byli zkušenými
experimentátory a své pokusy prováděli systematicky s dobře
promyšleným metodickým postupem. Náhoda pouze nasměrovala tento
metodický postup tak, že vyústil ve výsledný objev nového
přírodního jevu. Nezkušený experimentátor by možná vyloučil některé
pozorované jevy (pokud by si jich vůbec všiml), které nezapadají do
rámce stávajících předpokladů, považoval by je za náhodné chyby.
Např. by jako vadnou vyhodil fotografickou desku, která je
zčernalá, ač by být neměla... Dále, i kdyby nenastaly zmíněné
"náhody" a Oersted, Röntgen, Becquerel a další z učebnic známí
badatelé by neučinili své objevy, zanedlouho by to učinil někdo
jiný. Zkušených badatelů, usilovně provádějících na svou dobu
špičkové pokusy, byla celá řada, neřešené problémy většinou již
"nazrály" a bylo jen otázkou času provedení experimentů, které by
vnesly nové "světlo" a směr. V současné době se základní
přírodovědné (zvláště fyzikální) bádání dostalo již jednoznačně na
úroveň systematického metodického postupu, na němž se podílí celé
týmy složené z odborníků různých zaměření, s použitím většinou
velmi složitých a nákladných (často i značně rozsáhlých)
experimentálních zařízení. Ale ani opačné tvrzení, že "náhoda zde
již nemá žádné místo" nemůžeme považovat za oprávněné...
"Nová" a "stará" fyzika - kontinuita vědeckého poznání S
pokrokem přírodovědného poznání se zákonitě stává, že dřívější
představy a teorie již nevystačují pro vysvětlení nově objevovaných
jevů a skutečností - jsou nahrazovány teoriemi novými. V laické
veřejnosti a popularizační literatuře se často setkáváme s
tvrzením, že "nová teorie vyvrátila či zbořila dosavadní teorii",
nebo dokonce "nová fyzika vyvrátila starou fyziku". Tento názor je
naprosto mylný! Toto částečně platilo při přechodu z předvědeckého
období, kdy některé neověřené spekulace byby vyvráceny a nahrazeny
teoriemi již skutečné přírodovědy, založenými na faktech. Nynější
přírodověda - především fyzika - však již takovým způsobem
nepostupuje. V přírodovědě (a ve fyzice zvlášť) platí kontinuita
vědeckého poznání. Nová teorie nevyvrací experimentálně ověřené
poznatky předchozí teorie, nýbrž doplňuje, upřesňuje a zobecňuje
tuto teorii na jevy, které již není schopna vysvětlit; přitom
obsahuje dřívější teorii jako limitní případ. Můžeme si to
přiblížit na příkladu teorie relativity a kvantové fyziky.
Einsteinova speciální teorie relativity nevyvrací klasickou
Newtonovskou mechaniku, která je jejím limitním případem pro
rychlosti malé ve srovnání s rychlostí světla. Upřesňuje však
zákony pohybu tak, aby přesně platily i pro vysoké rychlosti.
Podobně obecná teorie relativity nevyvrací klasický Newtonův
gravitační zákon, který zůstává v platnosti jako limitní případ
slabých gravitačních polí. Einsteinovy rovnice gravitačního pole
jsou zobecněním, platným i pro extrémně silnou gravitaci. To
zásadní a nové, co přináší teorie relativity, je nový pohled na
vlastnosti prostoru a času (viz "Gravitace, černé díry a fyzika
prostoročasu") - avšak opět se to projevuje jen za "extrémních"
podmínek, v běžném makrosvětě vystačíme s klasickým pojetím
prostoru a času v duchu Eukleida a Newtona.
http://astronuklfyzika.cz/JadRadFyzika0.htm (9 of 13)
[15.10.2008 12:12:58]
-
RNDr. Vojtěch Ullmann: Fyzika - fundamentální přírodní věda.
Podobně vztah mezi klasickou a kvantovou fyzikou se formuluje
jako tzv. princip korespondence: V limitě velkých kvantových čísel
se stírá rozdíl mezi kvantovou a klasickou fyzikou, kvantová fyzika
přechází v klasickou. Neboli pro velká kvantová čísla dává kvantová
fyzika stejné výsledky jako fyzika klasická. Tento vztah kontinuity
a korespondence bude nepochybně platit i u budoucích teorií.
Podaří-li se úspěšně vybudovat unitární teorie pole, nijak to
nenaruší fungování zákonitostí stávajících teorií jednotlivých
oddělených "částečných" polí (elektromagnetického, gravitačního,
jaderných sil) v podmínkách, kde jsou experimentálně ověřeny. Avšak
předpoví a vysvětlí nové jevy při extrémně vysokých energiích
interakcí, snad včetně jevů při vzniku vesmíru, na které dosavadní
teorie nestačí. Jednoduchost a logická úspornost Dalším důležitým
principem při budování fyzikálních (a obecně přírodovědeckých)
teorií je jednoduchost a logická úspornost z hlediska zaváděného
množství pojmů, důvodů, příčin; tyto entity se nemají zmnožovat
více, než je nezbytné. Tento princip tzv. Occamovy břitvy*) řeší
problém nekonečného množství rozmanitých, v principu přípustných
alternativních teorií, které vedou ke stejným výsledků při
vysvětlování určitého přírodního jevu. Occamova břitva "odřezává"
nadbytečné pojmy, předpoklady a teorie a ponechává jen ty
věrohodné, logicky nutné a racionální. *) Nazývá se tak podle
anglického středověkého filosofa Williama Occama (či Ockhama),
který se zabýval logickou stavbou vědění. V teoriích klasické a
relativistické fyziky je tento princip důsledně dodržován. V
některých novějších fyzikálních teoriích je však situace
složitější. V kvantové teorii pole a unitárních teoriích se
zavádějí pomocná tzv. kalibrační pole, jimž odpovídají nové
hypotetické částice (viz "Sjednocování fundamentálních interakcí.
Supergravitace. Superstruny."). Nejsložitější situace je pak v
teorii superstrun, kde podle názoru některých fyziků je princip
Occamovy břitvy porušován..?.. Vyvratitelnost teorií Teorii
nemůžeme nikdy s absolutní a konečnou platností dokázat, nýbrž ji
můžeme pouze empiricky testovat. I když je teorie mnohokrát
experimentálně potvrzena, nikdy si nemůžeme byt jisti, že při
dalších pokusech či měřeních se neobjeví nesoulad - teorii může
vyvrátit*) třebas jen jediný experiment či pozorování, jehož
výsledky jsou v rozporu s jejími předpověděmi. Hodnotnou teorií je
tedy taková, která nejen souhlasí se stávajícími poznatky, ale
kterou je možné empiricky vyvrátit - falsifikovat. Dokud se tak
nestane, považujeme teorii za správnou, či přesněji řečeno za
adekvátní. "Nevyvratitelná" teorie je z přírodovědeckého hlediska
prázdná, má metafyzický charakter. Toto kritérium hodnotnosti
teorie se někdy označuje jako Popperovské (podle rakouského
filosofa K.Popprera, který se teorií poznání zbýval z hlediska
kritického a skeptického realismu). Takto chápaná vyvratitelnost
teorií umožňuje další pokrok poznání - vytváření nových
dokonalejších teorií. *) Slovo "vyvrátit" zde neznamená úplně
negovat a zbořit, ale spíše vymezit oblasti, kde již neplatí -
srov. s výše diskutovanou kontinuitou vědeckého poznání. Fyzikové
toto chápou konstruktivně - je jim jasné, že když taková situace
nastane, je to výzvou k hledání nové, dokonalejší teorie. Pro
některé ne dostatečně erudované a předsudky zatížené lidi se však
Popperovské kritérium vyvratitelnosti může stát záminkou k útokům
na dobře ověřené, adekvátní přírodovědecké teorie.
Unitarizace ve fyzice Základem vědeckého myšlení je
sjednocování: v ohromné rozmanitosti jevů a událostí hledat obecné
zákonitosti a společnou podstatu, snažit se vysvětlit různorodost
jevů na základě co nejmenšího počtu základních zákonů. Přemýšliví
lidé vždy toužili po teorii, která by popsala a umožnila pochopit
veškerou pozorovanou složitost a rozmanitost přírody. Konečným
(monistickým) ideálem je vysvětlit všechny přírodní zákony pomocí
jediného univerzálního principu - vytvořit definitivní finální
teorii či jednotnou "teorii všeho". A právě fyzice, která zkoumá
nejzákladnější zákonitosti přírody, náleží hlavní sjednocovací
úloha mezi všemi přírodními vědami.
http://astronuklfyzika.cz/JadRadFyzika0.htm (10 of 13)
[15.10.2008 12:12:58]
-
RNDr. Vojtěch Ullmann: Fyzika - fundamentální přírodní věda.
Charakteristickým rysem fyzikálního pohledu na přírodu je již
zmíněný redukcionistický přístup a snaha o jednotné pochopení co
nejširší třídy jevů - unitarizace. Tato snaha se jako "červená nit"
táhne celou historií fyziky - viz §B.1 "Proces sjednocování ve
fyzice" knihy "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu". První
etapa unitarizace proběhla vlastně již v samotných začátcích fyziky
jako vědy: jednalo se o sjednocení "pozemské" a "nebeské"
mechaniky. Zásluhou Galileiho, Koperníka, Keplera a Newtona se
stávalo jasné, že přírodní zákony pozorované zde na Zemi platí i
jinde ve vesmíru. Newtonův zákon všeobecné gravitace ukázal, že
síla zemské tíže způsobující padání těles je identická se silou
udržující planety na oběžných dráhách kolem Slunce, tj. s vesmírnou
gravitací. Do "klasického" období unitarizace fyziky lze rovněž
zařadit sjednocení mechaniky a termiky v kinetické teorii tepla,
podle níž podstatou tepelných jevů je kinetická energie
neuspořádaného a kmitavého pohybu molekul a atomů v látkách.
Důležitou etapou unitarizace ve fyzice bylo sjednocení
elektrických a magnetických sil, které se předtím zdály být zcela
různými přírodními silami. Důsledkem jednoty elektřiny a magnetismu
ve Faradayově-Maxwellově elektrodynamice je i existence
elektromagnetického vlnění, které se vyzařuje při zrychleném pohybu
elektrických nábojů. Vlastnosti těchto elektromagnetických vln se
ukázaly být identické s vlastnostmi světla: došlo tak navíc ke
sjednocení jevů optických a elektromagnetických. Radiovlny, tepelné
záření, světlo, rentgenové i gamma záření, spolu s klasickými i
relativistickými efekty elektřiny a magnetismu, jsou tedy jen
různými projevy elektromagnetické interakce. Rozvoj atomistiky a
kvantové mechaniky v první třetině 20. století ukázal, že veškerou
rozmanitost chemických jevů lze vysvětlit pomocí
elektromagnetických interakcí a kvantových zákonitostí v
elektronových obalech atomů jednotlivých prvků; totéž platí o
fyzikálních vlastnostech pevných těles (pružnost, pevnost,
dislokace), kapalin i plynů. Chemie tak byla fakticky "pohlcena"
fyzikou, aspoň co se týče základů. Další dvě etapy unitarizace
souvisejí s teorií relativity. Ve své speciální teorii relativity
Einstein sjednotil prostor a čas do jednotného prostoročasového
kontinua, v obecné teorii relativity pak ukázal, že Newtonovská
gravitace a setrvačnost jsou společným projevem geometrických
vlastností (křivosti) prostoročasu, který má dynamický charakter -
došlo ke sjednocení gravitace a prostoročasu.
Sjednocování fundamentálních interakcí - unitární teorie pole
Vyústěním zmíněných etap unitarizace bylo zjištění, že veškeré
přírodní dění je řízeno jen čtyřmi typy interakcí: gravitační,
elektromagnetickou, silnou a slabou interakcí. Každá interakce je
ve fyzice vyjádřena pomocí příslušného fyzikálního pole.
Sjednocování interakcí tak spočívá ve vytváření tzv. unitární
teorie pole. Průkopníkem unitární teorie pole byl A.Einstein, který
po vytvoření obecné teorie relativity pracoval až do posledních dní
svého života na teoriích sjednocení elektromagnetického a
gravitačního pole. Myšlenka unitární teorie pole je nesmírně
hluboká a krásná: podle ní by mělo existovat jediné, zcela základní
a vše zahrnující fyzikální pole, jehož projevem by pak byla všechna
pozorovaná
http://astronuklfyzika.cz/JadRadFyzika0.htm (11 of 13)
[15.10.2008 12:12:58]
-
RNDr. Vojtěch Ullmann: Fyzika - fundamentální přírodní věda.
pole v přírodě (gravitační, elektromagnetické, pole silných a
slabých interakcí a příp. další pole třebas v subnukleární fyzice).
Ve světě pak neexistuje nic než toto pole, z něhož je všechno
složeno - i hmotné útvary (např. částice) jsou jakési místní
"zhuštěniny" tohoto pole. Moderní unitarizační snahy probíhají na
půdě kvantové teorie polí a jejich cílem je sjednocování
fundamentálních interakcí mezi elementárními částicemi - interakcí
silných, slabých, elektromagnetických a gravitačních. První výrazný
úspěch na této cestě byl zaznamenán při sjednocování
elektromagnetické interakce a slabé interakce v tzv. elektroslabou
interakci - jedná se o Weinbergovu-Salamovu-Glashowovu teorii.
Další etapa unitarizace se označuje jako velké sjednocení (GUT -
Grand Unification Theory) - zde se pokoušíme sjednotit silnou
interakci, popsanou kvarkovou chromodynamikou, s elektroslabou
interakcí. Tyto etapy unitarizace dosáhly značných úspěchů, vedly k
vytvoření standardního modelu elementárních částic. Završení
unitarizace interakcí v kvantové teorii pole by spočívalo v
zahrnutí gravitační interakce, v jejím sjednocení s ostatními třemi
druhy interakcí. Tento ambiciózní unitarizační program se označuje
jako supersjednocení nebo supergravitace; v současné době se v
tomto směru neintenzívněji pracuje v oblasti tzv. teorie
superstrun. Unitární teorie pole jsou podrobněji popsány v
jednotlivých § Kap.B "Unitární teorie pole a kvantová gravitace"
knihy "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu", především v
§B.6 "Sjednocování fundamentálních interakcí. Supergravitace.
Superstruny.".
Fyzika - dobrodružství poznání Nádherná a obdivuhodná stavba
fyziky, která zde byla jen letmo nastíněna, s pokrokem poznání
umožňuje čím dál lépe pochopit stavbu a fungování našeho světa - od
mikroměřítek elementárních částic, přes stavbu atomů, fungování
živých buněk, organismů, hvězd a planet, galaxií, i stavbu a vývoj
celého vesmíru. Vědecké poznání nových, často dříve netušených jevů
a krása architektury jejich vzájemných vztahů vyjádřených v
přírodních zákonech, poskytuje přemýšlivému člověku neskonalou
radost z poznání "jak funguje náš svět", jaká je podstata věcí a
událostí. Tento vnitřní pocit je duchovního charakteru, ne
nepodobný "náboženskému vytržení" či samádhi při meditaci. Vede nás
to k hluboké úctě před velkolepostí skrytého řádu a "rozumu", který
je imanentně vtělen v bytí. Prostřednictvím vnitřně pochopeného
vědeckého poznání můžeme dosáhnout osvobození od pout malichernosti
a sobectví, dosáhnout zduchovnění našeho chápání světa a
zušlechtění vzájemných vztahů mezi sebou i k živé a neživé přírodě.
Tělesně jsme my lidé jen nicotným práškem ve vesmíru. Duchovně ale
tuto svou nicotnost vysoce přesahujeme: ten obrovský vesmír - jeho
stavbu, fungování, vývoj - jsme schopni poznávat a rozumět mu. Je
toho však stále mnoho, co zatím nevíme a možná ani netušíme. Další
dobrodružství poznání nás ještě čekají!
http://astronuklfyzika.cz/JadRadFyzika0.htm (12 of 13)
[15.10.2008 12:12:58]
-
RNDr. Vojtěch Ullmann: Fyzika - fundamentální přírodní věda.
Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření
1.1. Atomy a atomová jádra
Zpět: Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření
Jaderná a radiační fyzika Detekce a spektrometrie záření
Aplikace záření
S c i n t i g r a f i e Počítačové vyhodnocování scintigrafie
Radiační ochrana
Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu | Antropický princip
aneb kosmický Bůh
AstroNuklFyzika ® Jaderná fyzika - Astrofyzika - Kosmologie -
Filosofie
Vojtěch Ullmann
http://astronuklfyzika.cz/JadRadFyzika0.htm (13 of 13)
[15.10.2008 12:12:58]
-
Ullmann V.: "AstroNuklFyzika" - jaderná fyzika, astrofyzika,
kosmologie, filosofie
Astro Nukl Fyzika : - jaderná fyzika - astrofyzika -
- kosmologie - filosofie -
*************************** Systém AstroNuklFyzika
představuje řadu vzájemně propojených odborných pojednání v
elektronické formě z oblastí jaderné a radiační fyziky včetně
některých aplikací, teorie relativity, astrofyziky, kosmologie
a
přírodovědně-filosofických úvah,
doplněných pasážemi z oblasti kultury, duchovní
hudby a okrajově i pár postřehů a stanovisek
společenských. Struktura www-stránek: Kliknutím na některý ze
čtyř
tématických rámů se otevře příslušná stránka, na
níž je v užším levém rámečku uveden obsah
(seznam materiálů) konkrétního okruhu. Jednotlivé materiály
spouštíme klikáním na příslušná hesla v levém pásu - vybrané
téma se otevře a
zobrazí se v širokém hlavním rámečku.
Chceme-li přejít na jinou základní oblast, klikneme na "čTitulní
strana", což je tato
strana, na níž volbou opět jednoho z tématických rámů
vybereme novou základní oblast.
Pozn: Při přechodu z úvodní stránky se spolu se
seznamem vlevo nejprve zobrazí úvodní text
charakterizující obsah oblasti a opatřený osobními
poznámkami autora. Pro zobrazení textu
materiálů v celém okně obrazovky použijeme
http://astronuklfyzika.cz/index.htm (1 of 4) [15.10.2008
12:13:01]
http://astronuklfyzika.cz/strana1.htmhttp://astronuklfyzika.cz/strana2.htmhttp://astronuklfyzika.cz/strana3.htm
-
Ullmann V.: "AstroNuklFyzika" - jaderná fyzika, astrofyzika,
kosmologie, filosofie
menu v níže uvedené tabulce: Ì
Při shora uvedeném otvírání rámů s tématickými okruhy je trvale
zobrazen obsah v levém pruhu a vlastní materiály se zobrazují v
okně vpravo - to je přehledné z hlediska přecházení mezi
jednotlivými tituly. Pro studium konkrétního vybraného titulu však
může být výhodnější jeho zobrazení v plném okně obrazovky :
Volba titulů pro zobrazení v celém okně obrazovky :
Jaderná fyzika, nukleární medicína
Co je nukleární medicína?
Jaderná fyzika a ionizující záření
Jaderná a radiační fyzika
Detekce záření
Aplikace záření
Scintigrafie
Radiační ochrana
Jaderná alchymie
Paprsky života i smrti
Kosmické záření
Relativita-Astrofyzika - Kosmologie -
Antropický princip aneb
kosmický Bůh
Kniha: "Gravitace, černé díry
a fyzika prostoročasu"
Kosmická alchymie
Jsme potomky hvězd!
Cestování časem?
Cesty časem: fantazie nebo fyzikální realita?
Hudba - Elektronika - Chalupa -
Chalupa pro kulturní rekreaci
Pergola-krb-udírna
Japonská zahrada
Elektronika : Chvála minidisků
Hudba :
Indická
Čínská
Tibetská
Japonská
Pravoslavná
Západo-křesťanská
Islámská
Společnost-Filosofie - názory - postoje -
Filosofie - věda - náboženství: Buddhismus, Hinduismus,
Taoismus
Kosmický Bůh
Věda a náboženství
Jsme potomky hvězd!
Příroda-fyzika-filosofie
Společenské postoje:
Restituce jsou zvěrstvo
Socialismus: Totalita nebo humanita?
Křesťanství a komunismus
http://astronuklfyzika.cz/index.htm (2 of 4) [15.10.2008
12:13:01]
http://astronuklfyzika.cz/strana4.htmhttp://astronuklfyzika.cz/strana5.htmhttp://astronuklfyzika.cz/CoJeNuklMed.htmhttp://astronuklfyzika.cz/CoJeNuklMed.htmhttp://astronuklfyzika.cz/PaprskyZivotaSmrti.htmhttp://astronuklfyzika.cz/CestyCasem.htmhttp://astronuklfyzika.cz/CestyCasem.htmhttp://astronuklfyzika.cz/Chalupa-koncepce.htmhttp://astronuklfyzika.cz/Chalupa-koncepce.htmhttp://astronuklfyzika.cz/PergolaKrbUdirna.htmhttp://astronuklfyzika.cz/JapanZahrada.htmhttp://astronuklfyzika.cz/Minidisk.htmhttp://astronuklfyzika.cz/HudbaIndie.htmhttp://astronuklfyzika.cz/HudbaCina.htmhttp://astronuklfyzika.cz/HudbaTibet.htmhttp://astronuklfyzika.cz/HudbaJaponsko.htmhttp://astronuklfyzika.cz/HudbaOrtodox.htmhttp://astronuklfyzika.cz/HudbaKatolicka.htmhttp://astronuklfyzika.cz/HudbaIslam.htmhttp://astronuklfyzika.cz/Veda-vira.htmhttp://astronuklfyzika.cz/Restituce.htmhttp://astronuklfyzika.cz/Restituce.htmhttp://astronuklfyzika.cz/Totalita-humanita.htmhttp://astronuklfyzika.cz/Totalita-humanita.htmhttp://astronuklfyzika.cz/Krestanstvi-komunismus.htmhttp://astronuklfyzika.cz/Krestanstvi-komunismus.htm
-
Ullmann V.: "AstroNuklFyzika" - jaderná fyzika, astrofyzika,
kosmologie, filosofie
Matematické algoritmy
F i l t r y
F a n t o m y
OSTNUCLINE Komplexní vyhodnocování scintigrafie
Radiační ochrana-sylabus
Černé díry - mosty do jiných vesmírů?
Determinismus - - náhoda - chaos ?
Nekonečno v prostoru a čase
Černé díry
Kosmologie
Relativistická astrofyzika a kosmologie
Šarlatánství versus věda
Fotografie, příroda
O autorovi
Život na venkově
Československo -naše vlast
Chvála internetu
Agrese proti Jugoslávii
Agrese proti Iráku
Rómové-rasizmus?
Omluva autora : Systém AstroNuklFyzika bude ještě nějakou dobu
ve výstavbě. Omlouvám se proto jednak za některé chyby a
nekonzistence, které při tvorbě a úpravách vznikají, jednak za
nekompletnost - další témata budou postupně doplněna, některá hesla
která jsou zatím neaktivní budou zprovozněna. Při transformaci
textů z jiných editorů došlo na některých místech k destrukci
matematických vzorců - bude postupně opraveno. Děkuji za
pochopení.
Radost z poznání Vědecké poznání nových, často dříve netušených
jevů a krása architektury jejich vzájemných vztahů, vyjádřených v
přírodních zákonech, poskytuje přemýšlivému člověku neskonalou
radost z poznání "jak funguje náš svět", jaká je podstata věcí a
událostí. Tento vnitřní pocit je duchovního charakteru, ne
nepodobný "náboženskému vytržení" či samádhi při meditaci. Vede nás
to k hluboké úctě před velkolepostí skrytého řádu a "rozumu", který
je imanentně vtělen v bytí. Prostřednictvím vnitřně pochopeného
vědeckého poznání můžeme dosáhnout osvobození od pout malichernosti
a sobectví, dosáhnout zduchovnění našeho chápání světa a
zušlechtění vzájemných vztahů mezi sebou i k živé a neživé přírodě.
Je toho však stále mnoho, co zatím nevíme a možná ani netušíme.
Další dobrodružství poznání nás ještě čekají! Základním motivem pro
vytvoření těchto stránek je touha po poznání - poznání těch mnohdy
skrytých, nejvnitřnějších a nejzákladnějších mechanismů a
zákonitostí, kterými se řídí náš svět. A přátelské sdílení
inspirace a radosti z poznávání krás a tajemství přírody a vesmíru
s ostatními kolegy a "spřízněnými dušemi" na této cestě...
Uvítám připomínky, názory a vlastní poznatky čtenářů
[email protected]
Poznámka k tématickému okruhu Společnost - Filosofie - názory -
postoje : Do odborně zaměřených stránek AstroNuklFyzika je tento
tématický okruh zařazen jen zcela okrajově a vyjadřuje mé osobní
názory a postoje. Snažím se vždy o objektivní pohled a hodnocení,
bez jakýchkoli osobních zájmů a ambicí, nezávisle na momentálně
vládnoucí ideologii a trendech vnucovaných masmédii. Proto se tento
pohled snad může někomu jevit jako nekonformní a kontroverzní. Budu
přesto rád, když se i nad těmito tématy čtenáři zamyslí. Pokud
někdo z Vás, vážení čtenáři, má jiný názor a tyto postoje ho
pozlobí a naštvou, věřte že se jedná o nedorozumění: jakožto lidé
dobré vůle*) jsme "na jedné lodi" a ve svých stanoviscích mluvím i
za Vás, jen možná z jiného úhlu
http://astronuklfyzika.cz/index.htm (3 of 4) [15.10.2008
12:13:01]
http://astronuklfyzika.cz/MatematAnalyza.htmhttp://astronuklfyzika.cz/MatematAnalyza.htmhttp://astronuklfyzika.cz/Filtry.htmhttp://astronuklfyzika.cz/Fantomy.htmhttp://astronuklfyzika.cz/Ostnucl.htmhttp://astronuklfyzika.cz/Ostnucl.htmhttp://astronuklfyzika.cz/Ostnucl.htmhttp://astronuklfyzika.cz/Ostnucl.htmhttp://astronuklfyzika.cz/RadOchrana.htmhttp://astronuklfyzika.cz/RadOchrana.htmhttp://astronuklfyzika.cz/Gravitace4-4.htm#MostyVesmiruhttp://astronuklfyzika.cz/Gravitace4-4.htm#MostyVesmiruhttp://astronuklfyzika.cz/Gravitace3-1.htm#Nekonecnohttp://astronuklfyzika.cz/Gravitace3-1.htm#Nekonecnohttp://astronuklfyzika.cz/CerneDiry.htmhttp://astronuklfyzika.cz/Kosmologie.htmhttp://astronuklfyzika.cz/AstrofyzKosmol.htmhttp://astronuklfyzika.cz/AstrofyzKosmol.htmhttp://astronuklfyzika.cz/AstrofyzKosmol.htmhttp://astronuklfyzika.cz/Vzpominky.htmhttp://astronuklfyzika.cz/Ceskoslovensko.htmhttp://astronuklfyzika.cz/Ceskoslovensko.htmhttp://astronuklfyzika.cz/Internet.htmhttp://astronuklfyzika.cz/Jugoslavie.htmhttp://astronuklfyzika.cz/Irak.htmhttp://astronuklfyzika.cz/RomRas.htmmailto:[email protected]
-
Ullmann V.: "AstroNuklFyzika" - jaderná fyzika, astrofyzika,
kosmologie, filosofie
pohledu. *) Nepředpokládám, že by tyto stránky četli lidé jiné
vůle než dobré... Straním jen všemu, co slouží ku prospěchu dobrým
a slušným lidem, jejich vzájemné rovnosti, svobodě, toleranci,
spolupráci, spravedlnosti, rovným možnostem vzdělání a všestranného
rozvoje. Jevy a trendy opačné pak pranýřuji a nazývám je pravým
jménem. Věřím v převládající lidskou moudrost, dobrotu a
ušlechtilost, kterou je třeba kultivovat a chránit před zvůlí
sobeckých, pyšných a svévolných lidí. Toto by mělo být hlavním
úkolem levicových hnutí. Pokud někteří z čtenářů nepoznají, že se
jedná o dobře míněný pohled z jiného úhlu a nechtějí o tom
střízlivě a bez emocí přemýšlet, pak bych si dovolil poprosit, aby
místo zlosti a negativního naladění ignorovali celý tento tématický
okruh a nedávali jej do souvislosti s ostatními odbornými tématy na
těchto stránkách. Akcentuji vždy to, co lidi spojuje a nikoliv co
je rozděluje! Prosím o laskavou toleranci k různým názorům a
postojům, jakožto projevům pestrosti a různorodosti našeho
překrásného světa.
♣ Šťastné ať jsou všechny bytosti ! ♣
Tři hlavní přednosti člověka jsou: Vůle svobodná, vědění a
ctnost.
Bez vědění je však volnost marná. Vědění bez ctnosti nedává
užitku. Vědění bez lásky rodí jen pýchu.
Láska bez vědění snadno zabloudí. sv. Bernard de Clairvaux
Antropický princip aneb kosmický Bůh | Gravitace, černé díry a
fyzika prostoročasu
Věda a víra Krby, udírny, pergoly Japonská zahrada
Hudba: Indická Čínská Tibetská Japonská Pravoslavná Katolická
Islámská
AstroNuklFyzika ® Jaderná fyzika - Astrofyzika - Kosmologie -
Filosofie
Vojtěch Ullmann
http://astronuklfyzika.cz/index.htm (4 of 4) [15.10.2008
12:13:01]
http://astronuklfyzika.cz/Veda-vira.htmhttp://astronuklfyzika.cz/PergolaKrbUdirna.htmhttp://astronuklfyzika.cz/JapanZahrada.htmhttp://astronuklfyzika.cz/HudbaIndie.htmhttp://astronuklfyzika.cz/HudbaCina.htmhttp://astronuklfyzika.cz/HudbaTibet.htmhttp://astronuklfyzika.cz/HudbaJaponsko.htmhttp://astronuklfyzika.cz/HudbaOrtodox.htmhttp://astronuklfyzika.cz/HudbaKatolicka.htmhttp://astronuklfyzika.cz/HudbaIslam.htm
-
Vojtěch Ullmann: Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření
AstroNuklFyzika ® Jaderná fyzika - Astrofyzika - Kosmologie -
Filosofie
J A D E R N Á F Y Z I K A a
FYZIKA IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ Atomy a atomová jádra, jaderná a
radiační fyzika, radioaktivita, jaderné reakce a jaderná
energie,
elementární částice, detekce a spektrometrie ionizujícího
záření, aplikace ionizujícího záření, radioisotopová scintigrafie a
nukleární medicína, biologické účinky záření a radiační ochrana
Vojtěch Ullmann
1. Jaderná a radiační fyzika
1.0. Fyzika - fundamentální přírodní věda Příroda a její členění
- mikrosvět, makrosvět, megasvět. Vědění: zkušenost + věda.
Informovanost - vzdělání - moudrost. Přírodní vědy - fyzika,
chemie, biologie. Matematika. Filosofie. Redukcionismus, analytická
a syntetická metoda poznávání. Metodické členění fyziky - fyzika
experimentální, teoretická, aplikovaná fyzika. Oborové členění
fyziky - mechanika, termodynamika, elektrodynamika, optika, atomová
a jaderná fyzika. Teoretické koncepce moderní fyziky - teorie
relativity (speciální a obecná), kvantová fyzika. Významné
přírodovědecké objevy - náhoda nebo metoda? "Nová" a "stará" fyzika
- kontinuita vědeckého poznání - princip korespondence,
jednoduchost a logická úspornost - Occamova břitva, empirické
testování a vyvratitelnost teorií - Popperovo kritérium falsifikace
Unitarizace ve fyzice - sjednocování fundamentálních interakcí -
unitární teorie pole. Fyzika - dobrodružství poznání
1.1. Atomy a atomová jádra Látka, pole, částice, interakce -
základní stavební částice hmoty, 4 základní interakce, klasické a
kvantové modely v mikrosvětě Elektromagnetické pole a záření –
elektrické a magnetické pole, určující úloha elektrodynamiky pro
stavbu hmoty, elektromagnetické vlny. Elektromagnetické spektrum -
radiovlny, infračervené, viditelné a ultrafialové záření,
rentgenové záření, gama záření. Částicově-vlnový dualismus -
korpuskulární vlastnosti vlnění, záření černého tělesa,
fotoelektrický jev, kvantování - fotony, vlnové vlastnosti částic,
vznik kvantové mechaniky. Speciální teorie relativity - kinematické
efekty- dilatace času, dynamické efekty -závislost hmotnosti na
rychlosti, ekvivalence hmoty a energie. Kvantová fyzika - vlnové
funkce, operátory, relace neurčitosti, vlnové rovnice,
Schrödingerova rovnice, diskrétní stavy, pohyb částice v
potenciálové jámě, kvantový tunelový jev, moment hybnosti, spin,
kvantová teorie pole,
http://astronuklfyzika.cz/Fyzika-NuklMed.htm (1 of 14)
[15.10.2008 12:13:04]
-
Vojtěch Ullmann: Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření
Feymnanovské kvantování dráhových integrálů, kvantová
teleportace. Stavba atomů - molekulová a atomová struktura hmoty,
Thomsonův "pudinkový" model atomu, Ruthefordův rozptylový
experiment - elektronový obal a jádro atomu. Planetární model atomu
- podmínka rovnováhy, nestabilita - rozpory s elektrodynamikou a
spektroskopií. Bohrův model atomu - kvantování elektronových drah,
Pauliho princip, obsazování a konfigurace elektronových hladin.
Záření atomů - excitace a deexcitace energetických hladin, čárové a
spojité spektrum, spektrum absorbční a emisní. Interakce atomů -
chemické slučování atomů - sdílení elektronů, kovalentní a iontová
vazba, struktura molekul. Vazby atomů a molekul v látkách, tepelné
pohyby atomů a molekul. Elektromagnetické a optické vlastnosti
látek - elektrické náboje v látkách, elektronová a iontová
vodivost, polarizace dielektrika, permitivita. Magnetizace látek -
magnetická permeabilita, látky diamagnetické, paramagnetické,
feromagnetické, permanentní magnety. Šíření elektromagnetických vln
v látkách - index lomu a Snellův zákon, zákon odrazu, geometrická
optika. Piezoelektrický jev, magnetostrikce, termoelektrický a
fotoelektrický jev, elektroluminiscence, elektrické výboje v
plynech, elektrochemické jevy. Stavba jádra - protony a neutrony,
izotopy. Silná jaderná interakce, Yukawův potenciál, energetické
hladiny nukleonů v jaderném potenciálu, vazbová energie atomových
jader. Modely atomového jádra - kapkový model, statistický model,
model složeného jádra, slupkový model jádra. Původ a vznik jader a
atomů prvků - kosmická nukleogeneze - "jsme potomky hvězd!".
1.2. Radioaktivita Podstata radioaktivní přeměny, objev
radioaktivity přírodní a umělé, zkoumání vlastností záření. Obecné
zákonitosti přeměny atomových jader - jednotky radioaktivity,
exponenciální zákon radioaktivního rozpadu, poločas přeměny
(rozpadu), směsi radionuklidů. Tepelné a elektrické účinky
radioaktivity, nezávislost radioaktivního rozpadu na vnějších
podmínkách. Radioaktivita alfa – vznik a vlastnosti částic α,
posunovací pravidlo. Radioaktivita beta – vznik částic β−,
posunovací pravidlo, spojité spektrum záření β, neutrina. Neutrina
- vznik a druhy neutrin, oscilace neutrin, detece neutrin -
podzemní detektory (SuperKamioka NDE, SNO, KAMLAND,...), podmořské
a ledovcové detektory (AMANDA, ICECUBE, ANTARES, ...), klidová
hmotnost neutrin, astrofyzikální a kosmologický význam, neutrin.
Radioaktivita b+ - vznik pozitronů v jádře, vlastnosti pozitronů,
pozitronium, anihilace. Elektronový záchyt. Mechanismus
radioaktivity beta - slabé interakce, intermediální bosony W−,+,
Zo. Záření gama – excitované jaderné hladiny, deexcitace hladin a
vyzáření fotonů γ , vlastnosti záření γ , energetické spektrum,
vnitřní konverze záření gama. Terminologická dohoda: záření γ z
jader, záření X z obalu + brzdné záření. Stabilita a nestabilita
jader - mapa nuklidů, vazbová energie nukleonů, trojrozměrná
tabulka nuklidů, údolí stability, energetická analýza stability a
radioaktivity jader.
http://astronuklfyzika.cz/Fyzika-NuklMed.htm (2 of 14)
[15.10.2008 12:13:04]
-
Vojtěch Ullmann: Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření
1.3. Jaderné reakce Základní zákonitosti jaderných reakcí -
zákony zachování, účinný průřez reakcí, impaktní parametr
interakce. Interakce částic s jádry - pružný a nepružný rozptyl,
excitace, jaderné reakce, tříštění jader (spalační reakce),
kvark-gluonová plasma.. Mechanismy jaderných reakcí - přímé
procesy, strhování (stripping) a nabírání (pick-up) nukleonů,
reakce přes složené jádro. Druhy jaderných reakcí - reakce vyvolané
neutrony, protony, α-částicemi, ionty, fotojaderné reakce. Jaderná
energie - vazbová energie atomových jader, energetická bilance
štěpení těžkých jader a fúze lehkých jader. Štěpení atomových jader
- štěpná jaderná reakce, úloha neutronů, řetězová reakce a její
dynamika, kritické množství, explozívní reakce a jaderná bomba.
Jaderné reaktory - řízená řetězová reakce a její dynamika,
konstrukce jaderných reaktorů, moderátory, jadrné palivo, řízení a
regulace reaktorů, chlazení, jaderné odpady, jaderné havárie.
Bezpečnost a rizika jaderné energetiky. Přírodní jaderné reaktory?
- (uranový důl Oklo). Rychlé množivé reaktory FBR s
uran-plutoniovým palivovým cyklem, množivé reaktory s
thorium-uranovým palivovým cyklem. Jaderné odpady - jejich ukládání
a recyklace. ADTT - urychlovačem řízená transmutační technologie.
Transurany - vznik, vlastnosti, lehčí transurany z reaktorů,
příprava nejtěžších transuranů v urychlovačích. Slučování atomových
jader - termojaderné reakce, termojaderné fúze ve hvězdách, řízená
termonukleární reakce - tokamak, laserové reaktory (inerciální
fúze).
1.4. Radionuklidy Přírodní radionuklidy - primární, sekundární,
kosmogenní radionuklidy. Výroba umělých radionuklidů - výroba
radionuklidů v reaktoru a v cyklotronu. Rozpadová schémata
radionuklidů. Nejdůležitější radionuklidy - přehled a vlastnosti
nejrozšířenějších a nejčastěji používaných radionuklidů. Tabulka
nejdůležitějších radionuklidů - radionuklid - poločas rozpadu -
energie alfa, beta, gama - způsob výroby - použití.
1.5. Elementární částice Fyzikální charakteristiky elementárních
částic. Nerozlišitelnost částic. Systematika elementárních částic:
leptony - baryony - mezony, hadrony, fermiony - bosony. Antičástice
- antiatomy - antihmota - antisvěty. Interakce elementárních částic
- obecné zákonitosti interakcí, účinný průřez interakce, impaktní
faktor, srážky centrální a periferní, rezonanční interakce,
Breit-Wignerova formule. Interakce při vysokých energiích, vznik
nových sekundárních částic, analýza dynamiky interakcí částic -
Dalitzův diagram, rezonance účinných průřezů, energetická bilance.
Elementární částice a jejich vlastnosti - elektrony a pozitrony,
pozitronium, anihilace. Protony, neutrony, fotony, neutrina, miony,
mezony π a K, hyperony. Hypotetické a modelové částice - kvarky,
gluony, gravitony, gravitina, fotina, s-částice, axiony,
mag.monopóly, superstruny, ... Kvarková struktura hadronů -
mezonové a baryonové multiplety. Uvězněné kvarky, kvark-gluonová
plasma, hadronizace kvarků; preony.
http://astronuklfyzika.cz/Fyzika-NuklMed.htm (3 of 14)
[15.10.2008 12:13:04]
-
Vojtěch Ullmann: Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření
Čtyři typy interakcí - interakce gravitační, elektromagnetické,
silné a slabé; jejich vlastnosti. CPT symetrie interakcí. Úloha
jednotlivých interakcí při fungování světa. Standardní model -
jednotné chápání elementárních částic. Unitární teorie pole a
elementárních částic. Urychlovače nabitých částic - obecné principy
urychlování, úloha elektrického a magnetického pole. Kosmické
urychlovače. Rozdělení urychlovačů, primární a sekundární záření z
urychlovačů. Iontové zdroje, terčíky, vstřícné svazky -collidery.
Lineární urychlovače - elektrostatické a vysokofrekvenční, Kruhové
urychlovače - betatron, cyklotron, synchrotron. Velké urychlovače -
Large Hadron Collider LHC. Vysokofrekvenční generátory -
magnetrony, klystrony.
1.6. Ionizující záření Definice a druhy ionizujícího záření,
záření přímo a nepřímo ionizující, záření vlnové a korpuskulární.
Zdroje ionizujícího záření - elektronické (rentgenky, urychlovače),
radioisotopové (uzavřené a otevřené zářiče), kosmické. Pole a
svazek záření, intenzita záření - fluence částic a energie. Silné,
slabé a elektromagnetické interakce elementárních částic, účinný
průřez interakce záření s atomy látky. Interakce záření při
průchodu hmotou - silná, slabá a elektromagnetická interakce,
účinný průřez interakce, dolet záření. Interakce nabitých částic -
přímo ionizující záření - excitace a ionizace, lineární přenos
energie, Beaggova křivka, pronikavost a dolet záření ve vzduchu a
látkovém prostředí. Pružný a nepružný rozptyl záření, brzdné
záření, fotoefekt a charakteristické X-záření. Interakce záření β−,
β+, α, protonového, deuteronového, těžších iontů, mionového záření.
Elektrické nabíjení při interakcích záření. Čerenkovovo záření -
mechanismus vzniku (polarizace-depolarizace, interference),
spektrum a úhlové rozdělení, prahové energie. Přechodové záření -
průchod nabitých částic nehomogenním prostředím, rozhraní indexu
lomu, vznik přechodového záření; impaktní přechodové záření.
Rentgenové (X) záření - brzdné záření, vznik X-záření v
rentgenkách, charakteristické X-záření z atomů. Interakce záření
gama a X - fotoefekt, Comptonův rozptyl, tvoření
elektron-pozitronových párů, jaderný fotoefekt, Mössbauerův jev
jaderné rezonanční fluorescence. Sekundární záření generované při
interakcích γ s látkou - fotoelektrony, charakteristické X-záření,
Augerovy elektrony, brzdné záření, Comptonovsky rozptýlené záření,
elektron-pozitronové páry, anihilační záření, světelné záření.
Neutronové záření a jeho interakce - zdroje neutronů, rychlé a
pomalé neutrony, aktivace, neutronová aktivační analýza. Absorbce
záření v látkách – exponenciální zákon absorbce, lineární
součinitel zeslabení, souvislost s účinným průřezem interakce,
problematika stínění záření gama, beta, neutronového. Kosmické
záření primární - spektrum kosmického záření, vznik a původ
kosmického záření. Šíření kosmického záření ve vesmíru,
Comptonovská a pionová interakce s reliktním zářením, GZK mez.
Sekundární kosmické záření - interakce s atmosférou, vznik kaskád a
spršek částic - elektron-pozitronové, mionové a hadronové spršky,
kosmogenní radionuklidy. Detekce kosmického záření - detekce
primárního kosmického záření, druhy detektorů, experimenty na
balonech a kosmických družicích. Detekce sekundárního kosmického
záření - pozemní scintilační a Čerenkovovy detektory, detekce
fluorescenčního záření v atmosféře; observatoř Pierre Auger.
Biologický význam kosmického záření, rizika smrtícího záblesku
kosmického záření.
http://astronuklfyzika.cz/Fyzika-NuklMed.htm (4 of 14)
[15.10.2008 12:13:04]
-
Vojtěch Ullmann: Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření
2. Detekce a spektrometrie ionizujícího záření
2.1. Metodika detekce ionizujícího záření Základní rozdělení
detektorů ionizujícího záření - kontinuální a kumulativní detektory
ionizujícího záření; detektory fotografické, elektronické,
materiálové. Komplexnost detekční informace - prosté detektory a
intenzimetry, spektrometry ionizujícího záření, kalorimetry,
detektory zobrazovací, dráhové detektory částic. Spektrometrie -
mocný nástroj fyzikálního poznání a aplikací záření. Stínění,
kolimace a filtrace detekovaného záření. Uspořádání a konfigurace
detektorů záření - jeden detektor, vícedetektorové systémy,
detekční systémy pro interakce vysokoenergetických částic,
trackery, spektrometry a kalorimetry. Elektronické zapojení a
zpracování signálu z detektorů - elektrické napájení detektoru,
tvarování, třídění a sumace impulsů, koincidenční a antikoincideční
zapojení detektorů, trigrování, záznam signálů a vyhodnocování
výsledků Obecné fyzikální a přístrojové vlivy při detekci a
spektrometrii - detekční účinnost absolutní a vnitřní, časové
rozlišení a mrtvá doba; energetické rozlišení, nelinearita,
rozptýlné záření a sekundární záření, pozadí, časové nestability.
Problematika měření při nízkých a vysokých energiích a intenzitách
záření.
2.2. Fotografická detekce ionizujícího záření Fotografická
detetekce ionizujícího záření - fotochemické reakce, vznik
latentního obraz, vyvolání a vyhodnocení denzity obrazu. Filmová
dozimetrie, rentgenové filmy. Termoluminiscenční a OSL dozimetrie -
metastabilní excitace, teplotně a opticky stimulovaná luminiscence.
3-D gelové dozimetry - radiochromní a polymerační gelové dozimetry,
mechanismy účinku, optické-CT, NMRI a rtg-CT vyhodnocení prostorové
distribuce dávky. Detektory stop částic - jaderné emulze, mlžné a
bublinové komory.
2.3. Ionizační komory Ionizační komory - princip činnosti,
využití pro dozimetrii záření, studnové ionizační měřiče aktivity.
Proporcionální detektory, driftové ionizační komory, jiskrové
detektory. Geiger-Mullerovy detektory - princip činnosti,
vlastnosti (účinnost, mrtvá doba), konstrukce GM trubic pro záření
beta a gama, využití GM trubic. Mrtvá doba detektorů - časová
rozlišovací schopnost (mrtvá doba), její měření a korekce na mrtvou
dobu.
http://astronuklfyzika.cz/Fyzika-NuklMed.htm (5 of 14)
[15.10.2008 12:13:04]
-
Vojtěch Ullmann: Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření
2.4. Scintilační detekce a spektrometrie záření gama Principy
scintilačních detektorů - interakce fotonového záření a vznik
scintilací, druhy scintilátorů a jejich vlastnosti. Fotonásobiče -
princip činnosti, konstrukce. Scintilační detektory (sondy) pro
záření gama - konstrukce scintilačních krystalů, planární (ploché)
a studnové krystaly, optický kontakt s fotonásobičem. Výhody
scintilačních detektorů oproti G.-M. detektorům. Spektrometrické
přístroje pro měření záření gama - vysoké napětí pro napájení
scintilačních sond, zesilovač impulsů, analyzátor impulsů -
integrální a diferenciální měření, mnohokanálový analyzátor.
Scintilační spektra radionuklidů - vznik a struktura scintilačního
spektra, fotopík, energetická rozlišovací schopnost, účinnost
měření, šum a pozadí, Comptovo spojité spektrum, únikové píky,
sumační koincidenční píky, anihilační píky. Spektrometrie záření g
- energetická kalibrace, kalibrace účinnosti, vyhodnocování
spekter. Scintilátory a jejich vlastnosti - mechanismus vzniku
scintilací, scintilátory anorganické a organické, vlastnosti
konkrétních druhů scintilátorů. Čerenkovovy detektory - vznik
Čerenkovova záření, detekce fotonásobiči.
2.5. Polovodičové detektory Spektrometry s polovodičovými
detektory - druhy polovodičových detektorů,princip činnosti.
Detektory Ge(Li), spektrometrie záření gama. Multidetektorové
polovodičové systémy - polovodičové pixelové detektory SPD,
stripové detektory, polovodičové driftové detektory SDD.
Mikrokalorimetrické detektory - izotermické kalorimetry, kryogenní
mikrokalorimetry.
2.6. Měření záření beta, protonů a neutronů. Kapalné
scintilátory. Detekce záření β G.-M. trubicemi a pevnými
(plastickými) scintilátory. Magnetické spektrometry. Detekce
protonového záření, detekce neutronů. Kapalné scintilátory -
princip činnosti, druhy scintilátorů, chemiluminiscence, zhášení a
jeho korekce, konstrukce přístrojů. Použití kapalných scintilátorů
pro měření 14C a 3H.
2.7. Měření radioaktivity vzorků (in vitro) Geometrie měření :
4π - geometrie, polohová a objemová závislost účinnosti měření,
absorbce a samoabsorbce záření. Nastavení detekční aparatury.
Automatické měření sérií vzorků - vzorkoměniče pro měření sérií
vzorků. Vícedetektorové systémy - konstrukce, spektrometrické
nastavení, korekce rozdílné účinnosti detektorů, kontrola funkce a
standardizace. Hybridní systémy. Výhody vícedetektorových
systémů.
2.8. Absolutní měření radioaktivity a intenzity záření Relativní
a absolutní měření - primární a sekundární absolutní měření.
Kalibrace energie a účinnosti měření. Korekční faktory geometrické
a účinnosti detektoru. Absolutní koincidenční metody,
kalorimetrické metody. Kalibrace měřičů aktivity se studnovou
ionizační komorou. Kalibrované měřiče intenzity záření, radiační
dávky a dávkového příkonu.
http://astronuklfyzika.cz/Fyzika-NuklMed.htm (6 of 14)
[15.10.2008 12:13:04]
-
Vojtěch Ullmann: Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření
2.9. Měření radioaktivity v organismu (in vivo) Celotělová a
lokální měření. Kolimace. Absorpce záření v tkáni, vliv
rozptýleného záření a potlačení jeho detekce. Dynamická měření -
principy a technická realizace, vliv mrtvé doby, výhody a nevýhody
oproti dynamické scintigrafii. Radionuklidová renografie -
nastavení detekční aparatury, souběh obou detektorů, správná
kolimace, registrace nefrografických křivek. Nukleární medicína -
radiačně navigovaná chirurgie, scintigrafie.
2.10. Kalibrace a kontrola kvality radiometrických přístrojů
Kalibrace radiometrických přístrojů - absolutní, metrologická,
relativní, pracovní. Stabilita měřících přístrojů - krátkodobá a
dlouhodobá, testování stability. Měření energetické rozlišovací
schopnosti a mrtvé doby. Kontrola pozadí a spektrometrické
stability - měření a sledování stability polohy fotopíku.
2.11. Statistický rozptyl a chyby měření Stochastický charakter
radioaktivní přeměny (rozpadu) a emise záření - statistické
fluktuace, statistická chyba měření a možnosti jejího ovlivnění.
Vliv pozadí, mrtvé doby (mrtvá doba non-parazibilní a parazibilní)
a nestability přístroje - jejich minimalizace a korekce. Celková
chyba měření - statistická chyba + chyba způsobená jinými vlivy.
Přesnost a reprodukovatelnost stanovení výsledku měření.
3. Aplikace ionizujícího záření - jaderné a radiační metody
-
3.1. Jaderné a radiační metody Přednosti a úskalí radiačních
metod, využití zářičů uzavřených a otevřených. Radiační měřící,
analytické a detekční metody - absorbční transmisní měření,
rozptylové a fluorescenční měření, emisní radiační měření. Radiační
ozařovací a technologické metody. Kolimace ionizujícího záření -
kolimátory
3.2. X-záření - rentgenová diagnostika Objev X-záření, základni
princip rtg zobrazení. Zdroje X-záření - rentgenky - vznik
rtg-záření, brzdné a charakteristické X-záření, vlnová délka a
energie záření X, Duane-Huntův vztah. Konstrukční provedení
rentgenky - fokusace elektronů - ohnisko, chlazení a rotace anody,
rentgenky rotující jako celek (typu Straton). Nastavení parametrů
X-záření - vysoké napětí, žhavení katody a anodový proud, kolimace
a filtrace X-záření. Rtg zobrazení planární - skiaskopie,
skiagrafie. Zobrazení filmové, digitální radiografie. Kontrastní
látky - subtrakční radiografie, digitální subtrakční angiografie.
Transmisní rtg tmografie (CT) - principy, rekonstrukce,
elektronické detektory X-záření pro CT, multidetektorové,
víceřezové a spirální CT. Tomografie s elektronovým svazkem -
Electron Beam CT (EBT), EKG-hradlování, přednosti a nevýhody
EBT.
http://astronuklfyzika.cz/Fyzika-NuklMed.htm (7 of 14)
[15.10.2008 12:13:04]
-
Vojtěch Ullmann: Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření
Kostní densitometrie jednofotonová a dvoufotonová. Rtg.
mamografie. Alternativní diagnostické zobrazovací metody -
ultrazvuková sonografie, nukleární magnetická rezonance,
termografie, elektroimpedanční zobrazení tkáně.
3.3. Radiační měření mechanických vlastností materiálů Měření
tloušťky a hustoty - použití záření β a γ, meření transmisní a
rozptylové., Měření výšky hladiny. Neutronové měření vlhkosti.
Radiační defektoskopie Rentgenová difrakční analýza struktury
krystalových mřížek Pozitronová anihilační spektrometrie
3.4. Radiační analytické metody materiálů Rentgen-fluorescenční
analýza - fotoefekt, charakteristické X-ráření Kα, Kβ, zdroje
primárního záření, měření a spektrometrická analýza
charakteristického X-záření. Mössbauerovská spektroskopie -
rezonanční jaderná absorbce záření γ, energetická bilance,
kompenzace Dopplerovým jevem Neutronová aktivační analýza - zdroje
neutronů - reaktor a neutronový generátor, spektrometrická analýza
záření gama aktivovaných vzorků; protonová a gama-aktivační
analýza. Hmotnostní spektrometrie - hmotové spektrometry a
separátory. Měření koncentrací plynů - ionizační požární hlásiče,
detektory elektronového záchytu (ECD). Nukleární magnetická
rezonance - metoda analytická a zobrazovací.
3.5. Radioisotopové stopovací metody Radioisotopové stopovací
metody v technice a biologii. Radioisotopová scintigrafie a
nukleární medicína. Radioimunoanalýza - radiosaturační analýza.
3.6. Radioterapie Základní metody léčení nádorových onemocnění -
chirurgie, chemoterapie, radioterapie. Radioterapie kurativní,
adjuvantní, paliativní. Tumorózní kanceroletální dávka, základní
strategie radioterapie. Fyzikální a biologické faktory
radioterapie, frakcionace dávek. Základní ozařovací techniky -
teleterapie, brachyterapie, radioisotopová terapie. Isocentrická
radioterapie - rtg ozařovače, radioisotopové gama ozařovače 137Cs,
60Co, ozařování betatronem a lineárním urychlovačem. Ozařovací pole
a svazky záření, kolimace, distribuce záření ve svazku, polostín.
Plánování radioterapie - simulátor, dozimetrické fantomy, 3-D
gelové dozimetry. Modulace ozařovacích svazků - flexibilní
multilamelové MLC kolimátory, IMRT - radioterapie s modulovanou
intenzitou svazku, IGRT - radioterapie řízená obrazem, tomoterapie.
Konformní adaptivní radioterapie, inverzní plánování.
Stereotaktická radioterapie - Leksellův gama-nůž. Hadronová
radioterapie - Braggova křivka, urychlovače, terapie protony,
ionty, π−-mezony. PET-monitorování hadronové radioterapie těžkými
ionty. Neutronová záchytová terapie. Brachyterapie - distribuce
radiační dávky, radioisotopové zdroje (radiofory) pro
brachyterapii, jejich aplikace, aftrerloading.
http://astronuklfyzika.cz/Fyzika-NuklMed.htm (8 of 14)
[15.10.2008 12:13:04]
-
Vojtěch Ullmann: Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření
Radioisotopová terapie otevřenými zářiči β a α - léčba štítné
žlázy radijódem 131J, paliativní radonuklidová terapie metastáz,
hematologická terapie, radionuklidová synovektomie. Vlastnosti
používaných radionuklidů a terapeutických radiofarmak, dozimetrické
monitorování radionuklidové terapie - stanovení radiačních dávek v
orgánech, metoda MIRD, 3D dozimetrie.
3.7. Technologické využití záření - radiační syntéza látek,
radiolýza, radiační sterilizace,..............
4. Radionuklidová scintigrafie - nukleární medicína -
4.1. Podstata a druhy scintigrafie Základní principy
scintigrafického zobrazení. Scintigrafie planární a tomografická.
Scintigrafie statická a dynamická. Pohybové scintigrafy - princip
činnosti a konstrukce. Fokusační kolimátory, registrační zařízení.
Nevýhody ve srovnání se scintilačními kamerami.
4.2. Scintilační kamery Princip činnosti Angerovy kamery
Kolimace záření γ , tenký velkoplošný scintilační krystal, soustava
fotonásobičů, komparátor a vznik souřadnicových impulsů X-Y,
sumární zesilovač, analyzátor a vznik trigrovacích impulsů Z,
zobrazení scintigrafického obrazu na osciloskopu. Analogové obrazy
- perzistentní osciloskop, fotografování analogových obrazů,
expozice a kontrast, informační hustota a vliv statistických
fluktuací. Digitální obrazy - analogově-digitální konvertor (ADC),
připojení kamery k počítači, digitální scintigrafické kamery.
Kolimátory – konstrukce (paralelní, divergentní, konvergentní,
jednoděrové, speciální kolimátory “fan beam” pro SPECT) energetické
vlastnosti, citlivost (účinnost), prostorové rozlišení, zásady pro
optimální volbu kolimátorů. Nepříznivé vlivy u scintigrafie a
jejich korekce - rozlišení, kontrast obrazu - volumové a aktivitní
zkreslení (partial volume effect) a jeho korekce, hloubkové
prozařování, sumační efekt a interference struktur, absorbce
(atenuace) záření γ, statistické fluktuace a šum v obrazech,
Comptonův rozptyl. Korekční metody, riziko korekčních artefaktů.
Zobrazovací vlastnosti kamery - vnitřní rozlišení detektoru a
celková rozlišovací schopnost kamery FWHM. Mrtvá doba scintilační
kamery. Homogenita zorného pole - příčiny nehomogenity, kontrola a
korekce nehomogenity, kalibrace zobrazovacích vlastností kamery.
Spektrometrické nastavení scintilační kamery a jejich vliv na
kvalitu obrazu - potlačení Comptonovsky rozptýleného záření.
Alternativní fyzikální principy scintilačních kamer - drátové
kamery, multikrystalové kamery, Comptonovy kamery.
http://astronuklfyzika.cz/Fyzika-NuklMed.htm (9 of 14)
[15.10.2008 12:13:04]
-
Vojtěch Ullmann: Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření
4.3. Tomografické kamery Základní principy tomografického
zobrazení. SPECT - princip činnosti jednofotonové emisní počítačové
tomografie, střádání tomografických studií. Rekonstrukce
tomografických obrazů - metoda zpětné projekce a iterativní
rekonstrukce, výhody a úskalí. Vyžití SPECT v nukleární
kardiologii, neurologii, nádorové diagnostice. Nepříznivé vlivy u
SPECT a jejich korekce - atenuace, nehomogenity - prstencové
artefakty, rekonstrukční artefakty - star-efekt, osa rotace;
korekční metody. Kamery PET - princip činosti pozitronové emisní
tomografie: koincidenční detekce → elektronická kolimace g-záření;
koincidence pravé, rozptylové a náhodné. Použití scintilátorů BGO a
LSO, 2D a 3D akvizice. Střádání a rekonstrukce tomografických
obrazů, výhody a úskalí. TOF - časová lokalizace místa anihilace.
Nepříznivé vlivy u PET a jejich korekce - absorbce (atenuace)
záření, rozptyl záření, dolet pozitronů, náhodné (falašné)
koincidence. Pozitronové radionuklidy vhodné pro PET, možnosti
využití PET v nádorové diagnostice, nukleární kardiologii, CNS, v
monitorování hadronové radioterapie. Fúze obrazů, hybridní
tomografické systémy - kombinace PET+CT a SPECT+CT
4.4. Hradlovaná dynamická scintigrafie Rychlé periodické děje -
srdeční činnost, R-vlna EKG, periodicita a synchronizace, skládání
fázové studie reprezentativního cyklu, rovnovážná ventrikulografie,
selekce a vylučování cyklů. Frame-mod, LIST-mod, studie first-pass.
Hradlovaná SPECT scintigrafie myokardu.
4.5. Kontrola kvality a fantomová scintigrafická měření
Homogenita zorného pole kamery - měření s bodovým zářičem a plošným
zdrojem, stanovení nehomogenity zorného pole, kalibrace homogenity.
Rozlišení kamery - vnitřní a celkové rozlišení, měření s bodovým a
čárovým zdrojem. Stanovení měřítka zobrazení. Mrtvá doba - mrtvá
doba kamery a efektivní mrtvá doba systému kamera+počítač, měření
metodou dvouvzorkovou, vícevzorkovou a metodou kontinuální změny
aktivity. Fantomová měření - fantomy pro statickou scintigrafii
(štítné žlázy, jater, ...), dynamické fantomy (např. srdeční),
přínos fantomových měření.
4.6. Vztah scintigrafie a ostatních zobrazovacích metod
Diagnostické metody: anatomicko-morfologické, funkčně-metabolické.
Společné vlastnosti a rozdíly mezi scintigrafií a dalšími
zobrazovacími modalitami: Rentgenové zobrazení (konvenční a CT) -
odkaz. Ultrazvuková sonografie - šíření akustického signálu v
tkáni, akustická impedance a echogenita, vznik sonografického
obrazu. Dopplerovská ultrasonografie. Nukleární magnetická
rezonance - fyzikální principy, buzení silného magnetického pole a
radiofrekvenčního signálu, Larmorova rezonanční frekvence,
relaxační časy T1 a T2, gradientní magnetické pole, kódování
souřadn