Atom Doświadczenie Rutherforda wykazało, że prawie cała masa jądra skupiona jest w bardzo małym obszarze w centrum atomu, zwanym jądrem atomowym. Zgromadzony jest tam również ładunek dodatni, który zneutralizowany jest przez odpowiednią ilość elektronów. Elektrony te zlokalizowane są w obszarze dziesiątki tysięcy razy większym i określają rozmiary atomu. atom He - jądro wraz z „chmurą elektronów”

Jądro atomowe Z – liczba protonów A – liczba protonów + neutronów N – liczba neutronów

Oddziaływania energia jonizacji atomu : rzędu 10 eV energia potrzebna do rozerwania jądra: rzędu 10 MeV elektron – proton : oddziaływanie kulombowskie (ogólnie elektromagnetyczne) wnętrze jądra : oddziaływania silne masy : oddziaływanie grawitacyjne niektóre z rozpadów jądrowych : oddziaływanie słabe

czas świecenia żarówki 100 W Energia, a materia energia wyzwalana przez 1 kg materii rodzaj proces czas świecenia żarówki 100 W woda spadek z 50 m 5s węgiel spalanie 8 h wzbogacony UO2 rozsczepienie 690 lat 235U całkowite rozszczepienie 30 000 lat deuter synteza materia + antymateria anihilacja 30 000 000 lat

Ścieżka stabilności liczba protonów, Z liczba neutronów, N

Własności jądra promień: masa jądrowa: definiowana w odniesieniu do 12C masa 12C wynosi 12 u 1u = 1.661*10-27 kg liczba masowa A to zaokrąglona masa atomowa np. masa 197Au=196,966573u energia reakcji (zastosowanie przy rozpadach): równoważność energii i masy: energia spoczynkowa równoważna jednostce masy atomowej 1u wynosi 931,5 MeV

Energia wiązania energia wiązania: energia wiązania nukleonu: Masa M jądra jest mniejsza niż suma mas ∑m tworzących je protonów i neutronów. Różnicę w przeliczeniu na energię nazywa się energią wiązania.

Energia wiązania c.d. synteza rozszczepienie

Reakcja termojądrowa – synteza He Reakcja fuzji termojądrowej, jądra deuteru i trytu łączą się, powstaje jądro helu, neutron i wydzielana jest energia. Gwiazdy Bomba wodorowa Zimna fuzja – kontrolowana reakcja termojądrowa (w trakcie badań...)

Reakcja termojądrowa – bomba wodorowa 60 km

Reakcje termojądrowe w gwiazdach cykl protonowy – synteza He: dystans = 10-15m T =108 K niemożliwe bez tunelowania proces bardzo powolny p – proton 2H – deuter e+ - pozytron ne – neutrino elektronowe g – wysokoenergetyczny foton (kwant gamma) W trkacie cyklu emitowane jest 26.7 MeV energii

Reakcje termojądrowe w gwiazdach c.d. cykl C-N-O Zachodzi w gwiazdach cięższych od Słońca Wymaga C jako katalizatora

Reakcje termojądrowe w gwiazdach c.d. cykl 3a Najprawdopodobniej cały istniejący we wrzechświecie węgiel powstał w procesie 3 alfa.

Kontrolowana synteza termojadrowa Cykl protonowy trwa zbyt długo aby można go było zastosować. W warunkach ziemskich rozważa się: Q = + 3.27 MeV Q = + 4.03 MeV Q = + 17.59 MeV Budowa reaktora wymaga spelnienia trzech warunków: duża koncentracja cząsteczek (n) – żeby zderzenia zachodziły wystarczająco cząsto wysoka temperatura plazmy – żeby zderzające się cząsteczki miały wystarczającą energię aby pokonaźodpychające oddziaływanie kulombowskie długi czas utrzymania (t) – plazma o odpowiedniej gęstości i temperaturze musi być utrzymana w tym stanie odpowiednio długo - t.zw. kryterium Lawsona

Reaktor termojądrowy - TOKAMAK Plazma jest uwięziona w toroidalnej komorze i utrzymywana za pomocą pola magnetycznego. Plazmę można ogrzewać, indukując w niej prąd bądź bombardując wiązką wysokoenergetycznych cząstek

Reaktor termojądrowy - ITER powrót do cyklu protonowego, ale przy zastosowaniu tak dużej energii żeby pokonać barrierę kulombowską dystans = 10-15m T =108 K międzynarodwoe konsorcjum koszt 15 mld EUR planowany zapłon : 2019 r. temperatura 1.5*108 K plazma podgrzewana mikrofalami, uwięziona w polu magnetycznym problem z kontrolą wysokoenergetycznych neutronów powstających podczas cyklu

Rozpad promieniotwórczy rozpady promieniotwórcze mają charakter statystyczny szybkość rozpadu jąder: całkowita szybkość rozpadu == aktywność [1 Bq = 1 rozpad na sekundę] T1/2 – czas połowicznego zaniku t - średni czas życia nuklidu

Rozpad a Jądro, które ulega rozpadowi a, przekształca się w inny nuklid, emitując jednocześnie cząstkę a – jądro 4He. Z - liczba atomowa A- liczba masowa Z’ Z - 2 A’ A - 4 uran 238U: tor 232Th: rad 226Ra: Rozpad α jest powszechnym zjawiskiem w przyrodzie, odpowiada za niemal połowę promieniotwórczości naturalnej skorupy ziemskiej.

Rozpad b Jądro, które ulega rozpadowi b, emituje elektron (rozpad b-) lub pozytron (rozpad b+). b- : neutron  proton b+: proton  neutron Z - liczba atomowa fosfor 32P – rozpad b- b+ A - liczba masowa miedź 64Cu – rozpad b+ b- Z’ Z±1 A’ A

Neutrino – Nobel 1995 Energi kinetyczna rejestrowanych w rozpadzie b elektronów była za mała niż wynikałoby to z zasady zachowania energii. W 1930 W. Pauli zaproponował istnienie nowej cząstki – neutrina. NEUTRINO: prawie nie oddziaływuje z materią   trudno ją zaobserwować średnia droga swobodna w wodzi jest rzędu kilku tysięcy lat świetlnych żródłem gwiazdy i wybuchające supernowe detektory budowane głęboko pod: Ziemią, lodem, wodą: BDUNT – 1.1 km pod powierzchnią Bajkału ANTAREAS – 2.5 km pod powierzchnią Morza Środziemnego ICE CUBE – 1.3-2.5 km pod lodem Antarktyki SUPER KAMIOKANDE – 1 km pod Ziemia - Japonia

Super Kamiokande – Nobel 2002 40 x 40 m zbiornik wypełniony ciężką wodą ze ścianami wyłożonymi 6600 detektorami Słońce: 65 mld neutrin na sekundę  1-2 średnio zarejestrowane dziennie

Szereg uranowo-radowy

Szereg torowy

Szereg uranowo - aktynowy

Rozszczepienie jądra (naturalne) Promieniotwórczość – zdolność jąder do samoistnego rozpadu związanego z rozpadem a, b i emisją promieniowania gamma. Źródłem są niestabilne izotopy pierwiastkow jak np: 3H – wytwarzanych w reakcjach termojądrowych 14C – obecnyw wszystkich organizmach żywych 40K – obecny w minerałach i kościach Rn (radon) – gleba materiały budowlane (T1/2 = 3.8 dnia) 232Th – długo żyjący izotom, obecny w glebie i minerałach U (uran) – występujący naturalnie, reaktory i bomby jądrowe 40K: T1/2=1,25*109 lat rozpada się na trwały 40Ar datowanie 14C: T1/2 = 5730 lat wytwarzany stale w górnych warstwach atmosfery 1 atom 14C przypada na 1013 atomów trwałego 12C prawo rozpadu:

Rozszczepienie jądra (wymuszone) Materiał rozszczepialny: w wyniku zderzeń z neutronami ulaga łatwemu rozszczepieniu z emisją dodatkowych, szybkich neutronów oraz wydzieloną energią. 235U: występuje w przyrodzie naturalnie 239Pu: syntetyczny, uzyskiwany z uranu 238 przez wychwyt n 241Pu: syntetyczny, uzyskiwany z Plutonu 240 poprzez wychwyt n 233U: syntetyczny, uzyskiwany z toru 232 poprzez wychwyt n

Reakcja łańcuchowa Po zainicjowaniu reakcja przebiega początkowo tylko w niewielkim obszarze. Jej produkty inicjują reakcję w kolejnym punkcie. W ten sposób reakcja rozwija się lawinowo.