Treści multimedialne - kodowanie, przetwarzanie, prezentacja Odtwarzanie treści multimedialnych Andrzej Majkowski informatyka +

Waldemar Czapski Krzysztof Sauter SZTUCZNE REAKCJE JĄDROWE część I Liceum Ogólnokształcące im. Gen. Mariusza Zaruskiego w Węgorzewie Waldemar Czapski Krzysztof Sauter informatyka +

Układ treści zajęć Ogólne wiadomości o sztucznych reakcjach jądrowych. Rozszczepienie jąder atomowych. Reakcja łańcuchowa.

1. Ogólne wiadomości o sztucznych reakcjach jądrowych. Sztucznymi reakcjami jądrowymi nazywamy przemiany jąder atomowych zachodzące pod wpływem pocisków jądrowych. Pociskami jądrowymi nazywamy cząstki, które zderzając się z jądrem wywołują reakcję jądrową. Pierwszą sztuczną reakcję jądrową zaobserwował Ernest Rutherford. Była to reakcja jądra azotu z cząstką . W wyniku tej reakcji powstało jądro tlenu i proton. Prace nad systemem telewizji kolorowej, rozpoczęły się w połowie lat 50. XX wieku w Stanach Zjednoczonych. Nowy system musiał spełniać następujące założenia: nie mógł znacząco komplikować budowy odbiorników telewizji kolorowej, co mogło by wpływać na koszt produkcji odbiornika telewizyjnego i zmniejszyć jego dostępność dla widza ze względu na cenę; należało przyjąć zasadę odpowiedniości, czyli możliwości odbioru programu telewizji nadawanego w kolorze na odbiornikach czarnobiałych i odwrotnie; powinno być możliwe wykorzystywanie dotychczasowych kanałów częstotliwości do przesyłania sygnałów telewizji kolorowej, nie powodując zakłóceń w kanałach sąsiednich; jakość przesyłanego sygnału powinna być wysoka i zaspakajać wymagania widza.

Ogólne wiadomości o sztucznych reakcjach jądrowych - cd. Prace nad systemem telewizji kolorowej, rozpoczęły się w połowie lat 50. XX wieku w Stanach Zjednoczonych. Nowy system musiał spełniać następujące założenia: nie mógł znacząco komplikować budowy odbiorników telewizji kolorowej, co mogło by wpływać na koszt produkcji odbiornika telewizyjnego i zmniejszyć jego dostępność dla widza ze względu na cenę; należało przyjąć zasadę odpowiedniości, czyli możliwości odbioru programu telewizji nadawanego w kolorze na odbiornikach czarnobiałych i odwrotnie; powinno być możliwe wykorzystywanie dotychczasowych kanałów częstotliwości do przesyłania sygnałów telewizji kolorowej, nie powodując zakłóceń w kanałach sąsiednich; jakość przesyłanego sygnału powinna być wysoka i zaspakajać wymagania widza. Symulacja graficzna pierwszej sztucznej reakcji jądrowej jaką zaobserwował Ernest Rutherford w komorze Wilsona. Rzeczywisty wygląd obrazów rejestrowanych w komorze Wilsona. www.cybertech.net.pl 5 5

Ogólne wiadomości o sztucznych reakcjach jądrowych - cd. Najczęściej używanymi pociskami jądrowymi są neutrony (ich źródłami są reaktory jądrowe) oraz cząstki  i protony rozpędzane w akceleratorach. Ze względu na energię neutrony używane jako pociski jądrowe dzielimy na: - neutrony termiczne o energii rzędu 0,025 eV - neutrony powolne o energii rzędu 1 eV – 1 keV - neutrony pośrednie o energii rzędu 1 keV – 0,5 MeV - neutrony prędkie o energii powyżej 0,5 MeV. Prace nad systemem telewizji kolorowej, rozpoczęły się w połowie lat 50. XX wieku w Stanach Zjednoczonych. Nowy system musiał spełniać następujące założenia: nie mógł znacząco komplikować budowy odbiorników telewizji kolorowej, co mogło by wpływać na koszt produkcji odbiornika telewizyjnego i zmniejszyć jego dostępność dla widza ze względu na cenę; należało przyjąć zasadę odpowiedniości, czyli możliwości odbioru programu telewizji nadawanego w kolorze na odbiornikach czarnobiałych i odwrotnie; powinno być możliwe wykorzystywanie dotychczasowych kanałów częstotliwości do przesyłania sygnałów telewizji kolorowej, nie powodując zakłóceń w kanałach sąsiednich; jakość przesyłanego sygnału powinna być wysoka i zaspakajać wymagania widza. Przykładowe sztuczne reakcje jądrowe: 6 6

Ogólne wiadomości o sztucznych reakcjach jądrowych - cd. Zadanie 1 Prace nad systemem telewizji kolorowej, rozpoczęły się w połowie lat 50. XX wieku w Stanach Zjednoczonych. Nowy system musiał spełniać następujące założenia: nie mógł znacząco komplikować budowy odbiorników telewizji kolorowej, co mogło by wpływać na koszt produkcji odbiornika telewizyjnego i zmniejszyć jego dostępność dla widza ze względu na cenę; należało przyjąć zasadę odpowiedniości, czyli możliwości odbioru programu telewizji nadawanego w kolorze na odbiornikach czarnobiałych i odwrotnie; powinno być możliwe wykorzystywanie dotychczasowych kanałów częstotliwości do przesyłania sygnałów telewizji kolorowej, nie powodując zakłóceń w kanałach sąsiednich; jakość przesyłanego sygnału powinna być wysoka i zaspakajać wymagania widza. Rozwiązanie zadania 1 7 7

Ogólne wiadomości o sztucznych reakcjach jądrowych - cd. Zadanie 1 Uzupełnij następujące reakcje jądrowe: Prace nad systemem telewizji kolorowej, rozpoczęły się w połowie lat 50. XX wieku w Stanach Zjednoczonych. Nowy system musiał spełniać następujące założenia: nie mógł znacząco komplikować budowy odbiorników telewizji kolorowej, co mogło by wpływać na koszt produkcji odbiornika telewizyjnego i zmniejszyć jego dostępność dla widza ze względu na cenę; należało przyjąć zasadę odpowiedniości, czyli możliwości odbioru programu telewizji nadawanego w kolorze na odbiornikach czarnobiałych i odwrotnie; powinno być możliwe wykorzystywanie dotychczasowych kanałów częstotliwości do przesyłania sygnałów telewizji kolorowej, nie powodując zakłóceń w kanałach sąsiednich; jakość przesyłanego sygnału powinna być wysoka i zaspakajać wymagania widza. Rozwiązanie zadania 1 8 8

Ogólne wiadomości o sztucznych reakcjach jądrowych - cd. Rozwiązanie zadania 1 Uzupełnij następujące reakcje jądrowe: Prace nad systemem telewizji kolorowej, rozpoczęły się w połowie lat 50. XX wieku w Stanach Zjednoczonych. Nowy system musiał spełniać następujące założenia: nie mógł znacząco komplikować budowy odbiorników telewizji kolorowej, co mogło by wpływać na koszt produkcji odbiornika telewizyjnego i zmniejszyć jego dostępność dla widza ze względu na cenę; należało przyjąć zasadę odpowiedniości, czyli możliwości odbioru programu telewizji nadawanego w kolorze na odbiornikach czarnobiałych i odwrotnie; powinno być możliwe wykorzystywanie dotychczasowych kanałów częstotliwości do przesyłania sygnałów telewizji kolorowej, nie powodując zakłóceń w kanałach sąsiednich; jakość przesyłanego sygnału powinna być wysoka i zaspakajać wymagania widza. 9 9

Reakcje rozszczepienia jąder pierwiastków ciężkich. 2. Rozszczepienie jąder atomowych Reakcje rozszczepienia jąder pierwiastków ciężkich. Pod wpływem pocisków jądrowych w postaci neutronów, jądra niektórych pierwiastków ciężkich ulegają specyficznym sztucznym reakcjom nazywanym rozszczepieniem. Rozszczepieniem jąder atomowych nazywamy reakcję jądrową zachodzącą pod wpływem padających neutronów w wyniku, której jądra pierwiastków ciężkich rozpadają się na dwa jądra pierwiastków lżejszych. Skutkiem dodatkowym tej reakcji jest wydzielanie się dużych ilości energii oraz emisja neutronów, które nazywamy neutronami wtórnymi. Prace nad systemem telewizji kolorowej, rozpoczęły się w połowie lat 50. XX wieku w Stanach Zjednoczonych. Nowy system musiał spełniać następujące założenia: nie mógł znacząco komplikować budowy odbiorników telewizji kolorowej, co mogło by wpływać na koszt produkcji odbiornika telewizyjnego i zmniejszyć jego dostępność dla widza ze względu na cenę; należało przyjąć zasadę odpowiedniości, czyli możliwości odbioru programu telewizji nadawanego w kolorze na odbiornikach czarnobiałych i odwrotnie; powinno być możliwe wykorzystywanie dotychczasowych kanałów częstotliwości do przesyłania sygnałów telewizji kolorowej, nie powodując zakłóceń w kanałach sąsiednich; jakość przesyłanego sygnału powinna być wysoka i zaspakajać wymagania widza. 10

Rozszczepienie jąder atomowych - cd Przykładowa reakcja rozszczepienia (reakcja rozszczepienia uranu 235U) Prace nad systemem telewizji kolorowej, rozpoczęły się w połowie lat 50. XX wieku w Stanach Zjednoczonych. Nowy system musiał spełniać następujące założenia: nie mógł znacząco komplikować budowy odbiorników telewizji kolorowej, co mogło by wpływać na koszt produkcji odbiornika telewizyjnego i zmniejszyć jego dostępność dla widza ze względu na cenę; należało przyjąć zasadę odpowiedniości, czyli możliwości odbioru programu telewizji nadawanego w kolorze na odbiornikach czarnobiałych i odwrotnie; powinno być możliwe wykorzystywanie dotychczasowych kanałów częstotliwości do przesyłania sygnałów telewizji kolorowej, nie powodując zakłóceń w kanałach sąsiednich; jakość przesyłanego sygnału powinna być wysoka i zaspakajać wymagania widza. Podczas reakcji rozszczepienia wynik reakcji jest nieprzewidywalny dlatego też w podanym przykładzie występują różne możliwości (najczęściej zachodzące przypadki). Widzimy jednak, że w każdym przypadku wydziela się energia oraz neutrony wtórne. 11 11

Rozszczepienie jąder atomowych - cd Dodatni bilans energetyczny przy rozszczepianiu niektórych pierwiastków ciężkich jest związany z tym, że jądra pochodne powstające w wyniku tej reakcji mają większą energię właściwą wiązania niż jądra pierwiastków rozszczepianych. W wyniku rozszczepiania jąder uranu 235U wydziela się około 208 MeV energii na jeden akt rozszczepienia. Oznacza to, że przy rozszczepieniu 1 grama uranu wydziela się tyle energii co przy spaleniu 2500 ton węgla. Efektywność reakcji rozszczepienia zależy od rodzaju pierwiastka, rodzaju izotopu oraz od energii neutronów użytych do przeprowadzenia reakcji. Prace nad systemem telewizji kolorowej, rozpoczęły się w połowie lat 50. XX wieku w Stanach Zjednoczonych. Nowy system musiał spełniać następujące założenia: nie mógł znacząco komplikować budowy odbiorników telewizji kolorowej, co mogło by wpływać na koszt produkcji odbiornika telewizyjnego i zmniejszyć jego dostępność dla widza ze względu na cenę; należało przyjąć zasadę odpowiedniości, czyli możliwości odbioru programu telewizji nadawanego w kolorze na odbiornikach czarnobiałych i odwrotnie; powinno być możliwe wykorzystywanie dotychczasowych kanałów częstotliwości do przesyłania sygnałów telewizji kolorowej, nie powodując zakłóceń w kanałach sąsiednich; jakość przesyłanego sygnału powinna być wysoka i zaspakajać wymagania widza. 12 12

Rozszczepienie jąder atomowych - cd Energia rozszczepienia wydziela się w postaci energii kinetycznej produktów reakcji (ciepło), energii promieniowania jądrowego oraz promieniowania elektromagnetycznego z całego zakresu widma. Przykłady izotopów rozszczepialnych rozszczepialne za pomocą neutronów termicznych Prace nad systemem telewizji kolorowej, rozpoczęły się w połowie lat 50. XX wieku w Stanach Zjednoczonych. Nowy system musiał spełniać następujące założenia: nie mógł znacząco komplikować budowy odbiorników telewizji kolorowej, co mogło by wpływać na koszt produkcji odbiornika telewizyjnego i zmniejszyć jego dostępność dla widza ze względu na cenę; należało przyjąć zasadę odpowiedniości, czyli możliwości odbioru programu telewizji nadawanego w kolorze na odbiornikach czarnobiałych i odwrotnie; powinno być możliwe wykorzystywanie dotychczasowych kanałów częstotliwości do przesyłania sygnałów telewizji kolorowej, nie powodując zakłóceń w kanałach sąsiednich; jakość przesyłanego sygnału powinna być wysoka i zaspakajać wymagania widza. rozszczepialne za pomocą neutronów prędkich 13 13

3. Reakcja łańcuchowa Neutrony wtórne powstające w wyniku reakcji rozszczepienia mają zdolność do dalszego rozszczepiania. Ilość neutronów wtórnych wydzielonych podczas każdego aktu rozszczepienia jest większa od jedności tak więc ilość rozszczepień zachodzących w próbce może wzrastać. Reakcja może przerodzić się w reakcję łańcuchową. Reakcją łańcuchową nazywamy ciąg rozszczepień zachodzących w próbce izotopu rozszczepialnego pod wpływem neutronów wtórnych. Prace nad systemem telewizji kolorowej, rozpoczęły się w połowie lat 50. XX wieku w Stanach Zjednoczonych. Nowy system musiał spełniać następujące założenia: nie mógł znacząco komplikować budowy odbiorników telewizji kolorowej, co mogło by wpływać na koszt produkcji odbiornika telewizyjnego i zmniejszyć jego dostępność dla widza ze względu na cenę; należało przyjąć zasadę odpowiedniości, czyli możliwości odbioru programu telewizji nadawanego w kolorze na odbiornikach czarnobiałych i odwrotnie; powinno być możliwe wykorzystywanie dotychczasowych kanałów częstotliwości do przesyłania sygnałów telewizji kolorowej, nie powodując zakłóceń w kanałach sąsiednich; jakość przesyłanego sygnału powinna być wysoka i zaspakajać wymagania widza. 14 14

Reakcja łańcuchowa – cd. Wyróżniamy trzy typy reakcji łańcuchowych: a) Reakcja łańcuchowa gasnąca – jest to reakcja podczas, której ilość rozszczepień zachodzących w próbce maleje w czasie. Przyczyną wygasania reakcji łańcuchowej jest ucieczka neutronów wtórnych poza obręb próbki oraz wychwyt tych neutronów przez inne pierwiastki zanieczyszczające izotop rozszczepialny. Pierwiastki najlepiej wychwytujące neutrony to bor i kadm. b) Reakcja łańcuchowa samo podtrzymująca się – jest to reakcja podczas, której ilość rozszczepień zachodzących w próbce nie zmienia się w czasie. Ten typ reakcji łańcuchowej nazywamy także reakcją łańcuchową kontrolowaną. Reakcje kontrolowane wykorzystano w reaktorach jądrowych do wytwarzania energii. Prace nad systemem telewizji kolorowej, rozpoczęły się w połowie lat 50. XX wieku w Stanach Zjednoczonych. Nowy system musiał spełniać następujące założenia: nie mógł znacząco komplikować budowy odbiorników telewizji kolorowej, co mogło by wpływać na koszt produkcji odbiornika telewizyjnego i zmniejszyć jego dostępność dla widza ze względu na cenę; należało przyjąć zasadę odpowiedniości, czyli możliwości odbioru programu telewizji nadawanego w kolorze na odbiornikach czarnobiałych i odwrotnie; powinno być możliwe wykorzystywanie dotychczasowych kanałów częstotliwości do przesyłania sygnałów telewizji kolorowej, nie powodując zakłóceń w kanałach sąsiednich; jakość przesyłanego sygnału powinna być wysoka i zaspakajać wymagania widza. 15 15

Reakcja łańcuchowa – cd. c) Reakcja łańcuchowa lawinowa – jest to reakcja podczas, której ilość rozszczepień zachodzących w próbce izotopu rozszczepialnego gwałtownie wzrasta w czasie. W tym przypadku ilość neutronów wtórnych biorących udział w dalszym rozszczepianiu jest większa od liczby wcześniejszych rozszczepień. Reakcja tego typu jest niekontrolowana i zachodzi w sposób wybuchowy (reakcje lawinowe wykorzystano w bombach atomowych). Warunkiem zajścia reakcji łańcuchowej lawinowej jest przekroczenie masy krytycznej w próbce. Masą krytyczną nazywamy najmniejszą masę próbki w kształcie kuli, w której zachodzi reakcja łańcuchowa lawinowa. Prace nad systemem telewizji kolorowej, rozpoczęły się w połowie lat 50. XX wieku w Stanach Zjednoczonych. Nowy system musiał spełniać następujące założenia: nie mógł znacząco komplikować budowy odbiorników telewizji kolorowej, co mogło by wpływać na koszt produkcji odbiornika telewizyjnego i zmniejszyć jego dostępność dla widza ze względu na cenę; należało przyjąć zasadę odpowiedniości, czyli możliwości odbioru programu telewizji nadawanego w kolorze na odbiornikach czarnobiałych i odwrotnie; powinno być możliwe wykorzystywanie dotychczasowych kanałów częstotliwości do przesyłania sygnałów telewizji kolorowej, nie powodując zakłóceń w kanałach sąsiednich; jakość przesyłanego sygnału powinna być wysoka i zaspakajać wymagania widza. Kształt kuli zapewnia najmniejszą powierzchnię ucieczki neutronów z próbki. Masa krytyczna zależy od rodzaju izotopu oraz od czystości chemicznej próbki. Przykładowo masa krytyczna 235U wynosi około 1 kg. 16 16