1.0. Fyzika - fundamentální přírodní vmedia1.vesele.info/files/media1:50f86f3b1da0f.pdf... · RNDr. Vojtěch Ullmann: Fyzika - fundamentální přírodní věda. vzdáleném

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


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



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.



*) 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



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.



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



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



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.



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.



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.



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



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!



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


Vojtěch Ullmann


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


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/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


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/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]


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


Vojtěch Ullmann


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


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]


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.



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.



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.



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.



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.



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.



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.



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.



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

Documents

1.0. Fyzika - fundamentální přírodní vmedia1.vesele.info/files/media1:50f86f3b1da0f.pdf... · RNDr. Vojtěch Ullmann: Fyzika - fundamentální přírodní věda. vzdáleném