16. Elementy fizyki jądrowej

Prezentacja na temat: "16. Elementy fizyki jądrowej"— Zapis prezentacji:

1 16. Elementy fizyki jądrowej
Koncepcja jądra Koncepcję istnienia jądra wysunął E. Rutherford w 1911 r. Przeważająca część masy atomu skupiona jest w jego środku – jądrze. W jądrze skupiony jest też ładunek dodatni. Doświadczenie potwierdzające koncepcję jądra Duże kąty odchylenia f sugerują, że istnieją dodatnio naładowane centra rozpraszające o wymiarach 104 razy mniejszych od atomu. Rys z HRW 5 Folia Au odchylająca cząstki alfa

2 Jednostka masy atomowej 1u = 1,661  10-27 kg (1/12 masy atomu węgla )
Oznaczenie jądra A – liczba masowa (liczba protonów i neutronów w jądrze) Z – liczba atomowa lub porządkowa (liczba protonów w jądrze) N – liczba neutronów w jądrze Wpisując symbol pierwiastka mamy informację o liczbie Z i wystarczy oznaczyć liczbę masową. Jądra o tej samej liczbie atomowej Z różniące się liczbą neutronów nazywamy izotopami, np. izotopy węgla Jednostka masy atomowej 1u = 1,661  kg (1/12 masy atomu węgla ) Energia wiązania jądra Masa jądra M jest mniejsza niż suma mas tworzących je nukleonów (protonów i neutronów). Ta różnica mas decyduje o energii wiązania jądra

3 Na jeden nukleon przypada: jest to miara energii wiązania
Jądra lekkie mają małe en. wiązania. W wyniku reakcji syntezy takich jąder tworzą się jadra o większej energii wiązania i wydziela się duża ilość energii. Takie reakcje fuzji jądrowej zachodzą w gwiazdach. Ciężkie jądra ulegają rozszczepieniu i tworzą się również jadra o większej energii wiązania, a zatem wydziela się energia. Przykładem jest rozszczepienie jąder uranu, co w przypadku reakcji lawinowej daje wybuch atomowy. Rozkład energii wiązania na nukleon wśród pierwiastków układu okresowego

4 16.2. Rozpad promieniotwórczy
Istnieją jądra, które spontanicznie rozpadają się emitując cząstki. Może to prowadzić do powstania innych pierwiastków. Rozpad ma charakter statystyczny, prawdopodobieństwo rozpadu w jednostce czasu jest takie samo dla każdego jądra. Szybkość rozpadu jest proporcjonalna do liczby jąder N: (16.1) λ- stała rozpadu, charakterystyczna dla danego pierwiastka Po obustronnym scałkowaniu (16.1) uzyskuje się: (16.2) C - stała całkowania W chwili początkowej t = 0 N = N0 , co przez podstawienie do (16.2) daje

5 Równanie (16.2) można więc przekształcić do postaci
A zatem liczba jąder N, które pozostały po czasie t wynosi (16.3) Liczba jąder, które rozpadły się po czasie t wynosi zatem: (16.4) Liczbę jąder rozpadających się w jednostce czasu A nazywamy aktywnością. Różniczkując (16.4) po czasie uzyskuje się (16.5) Jednostki aktywności: 1 bekerel = 1 Bq = 1 rozpad/s 1 kiur = 1 Ci = 3,7 x 1010 Bq Prawo rozpadu promieniotwórczego

6 Średni czas życia τ określamy jako czas,
Czas życia nuklidu promieniotwórczego określają dwa parametry. Jednym z nich jest czas połowicznego zaniku T czyli czas, po którym pozostaje połowa jąder Średni czas życia τ określamy jako czas, po którym liczba jąder maleje e razy: Niektóre pierwiastki o długich czasach rozpadu tworzą tzw. rodziny promieniotwórcze kończące rozpady na trwałych izotopach ołowiu: Szereg torowy, (Th najdłużej żyjący pierwiastek) Szereg neptunowy Szereg uranowo - radowy Szereg uranowo - aktynowy Ilustracja okresu połowicznego zaniku

7 Rozpad α Rozpadające się jądro emituje cząstki α, czyli jądra Jest to rozpad samorzutny, zachowany jest ładunek i liczba nukleonów. Przykład: a więc rozpad samorzutny, gdyż Q>0 Rozpad β Jest kilka rodzajów rozpadów β: Rozpad beta minus -elektron - antyneutrino Rozpad beta plus -pozyton - neutrino

8 Energie kinetyczne emitowanych cząstek alfa są zawsze takie same.
Przyczyną emisji elektronów lub pozytonów z jądra atomowego są rozpady nukleonów: Energie kinetyczne emitowanych cząstek alfa są zawsze takie same. Energia kinetyczna emitowanych elektronów (lub pozytonów) zmienia się na skutek udziału neutrin (neutrina mogą unosić różne energie): - energia rozpadu Widmo energii kinetycznych cząstek beta

9 Rozpad γ Jest to rozpad, w którym emitowane są przenikliwe kwanty promieniowania elektromagnetycznego W trakcie rozpadu α lub β powstaje jądro wzbudzone, które często przechodzi do stanu podstawowego emitując promieniowanie γ. Datowanie na podstawie rozpadu Na podstawie rozpadu promieniotwórczego można dokonać datowania. Rozpad jąder o bardzo długim czasie życia może służyć do określenia wieku skał. Często wykorzystywane izotopy to Izotop potasu w trakcie rozpadu daje trwały izotop argonu, którego zawartość w stosunku do izotopu potasu pozwala określić wiek skały. Wykorzystując jądra o krótszym czasie życia można określać zmiany historyczne. Węgiel promieniotwórczy wytwarzany w górnych warstwach atmosfery miesza się z i w postaci CO2 bierze udział w fotosyntezie czy oddychaniu organizmów żywych. W organizmach martwych brak wymiany węgla z atmosferą i zawartość maleje.

10 16.3. Energia jądrowa Źródłem energii jądrowej jest ubytek masy jąder
Otrzymuje się jądra o bardziej trwałej konfiguracji nukleonów, a tracona masa zamieniana jest na energię. Uzyskiwanie energii (porównanie): Spalenie 1kg węgla h świecenia żarówki 100 W Rozszczepienie 1kg UO lat świecenia żarówki 100 W w reaktorze Całkowita synteza 1kg tys. lat świecenia żarówki gorącego gazowego deuteru

11 Rozszczepienie jądra Badania L. Meitner, O. Hahna, F. Strassmanna w latach tych doprowadziły do koncepcji rozszczepienia jądra uranu. (Nagroda Nobla- Otto Hahn 1944) absorbując neutron termiczny przekształca się we wzbudzone jądro , które rozszczepia się na dwa nowe jądra z emisją neutronów zachowana liczba protonów i neutronów, czyli również ładunek Wydajność reakcji rozszczepienia Powstałe nowe jądra są nietrwałe i ulegają rozpadowi β: Rozpad β umożliwia pozbycie się nadwyżki neutronów Rozkład mas fragmentów powstałych w wyniku rozszczepienia uranu 235.

12 W rozszczepieniu masa powstałych jąder jest w sumie mniejsza niż masa jądra wyjściowego.
Jest to wynik wzrostu energii wiązania w produktach rozszczepienia. Dla omawianego jądra uranu: A≈ 240, Ew ≈ 7,6 MeV/nukleon Dla nuklidów o średniej masie A≈ 120, Ew ≈ 8,5 MeV/nukleon Energia wyzwalana w reakcji rozszczepienia jądra ciężkiego na dwa jądra o średniej masie wynosi: Q = 8,5 MeV/nukl x 120 nukl x 2 jądra – 7,6 MeV/nukl x 240 = 200 MeV

13 Stacjonarny proces reakcji rozszczepienia zachodzi w reaktorze jądrowym.
Naturalna ruda uranu zawiera tylko 0,7% izotopu U-235 a pozostałe 99,3% to nierozszczepialny pod wpływem neutronów termicznych U-238. Trzeba posiadać sztucznie wzbogacone paliwo uranowe. W konstrukcji reaktora trzeba rozwiązać problem: Ucieczki neutronów, problem masy krytycznej Spowalniania neutronów (moderator), w rozszczepieniu powstają neutrony prędkie (≈2MeV), można do spowolniania użyć wody Wychwytu neutronów Jeżeli współczynnik powielania neutronów k >1, to mamy do czynienia z bombą atomową i reakcja zachodzi łańcuchowo.

14 Elektrownia jądrowa z reaktorem wodnym ciśnieniowym

15 Synteza termojądrowa Lekkie jądra łącząc się w większe dają nadwyżkę energii. Przeszkodą w reakcjach jądrowych jest odpychanie kulombowskie jąder. Jądra trzeba „ogrzać” aby pokonać barierę kulombowską. Przykład reakcji o praktycznym znaczeniu: Q= 3,27MeV Q= 17,59MeV Izotop (deuter) występuje rzadko (1 : 6700) w stosunku do zwykłego wodoru. Warunkiem zajścia reakcji termojądrowej jest spełnienie kryterium Lawsona. n- koncentracja cząstek τ- czas utrzymania plazmy Poza tym trzeba zapewnić odpowiednio wysoką temperaturę. Pierwszą syntezę termojądrową przeprowadzono w 1952 r w postaci eksplozji bomby wodorowej, gdzie zapalnikiem była bomba atomowa. Czynione są intensywne badania w celu przeprowadzenia kontrolowanej reakcji termojądrowej.