Energetyka konwencjonalna odnawialna i jądrowa

Transkrypt

1 Energetyka konwencjonalna odnawialna i jądrowa Wykład 8-27.XI.2018 Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów szef@fuw.edu.pl

2 Wykład 8 Energia atomowa i jądrowa Atomy i jądra 27.XI.2018 EKOJ - Wykład 8 2/21

3 Rozmiary atomów Po podzieleniu objętości molowej przez stałą Avogadro uzyskamy objętość zajmowaną przez pojedynczy atom gazu. Rozmiar liniowy takiej objętości to pierwiastek trzeciego stopnia z objętości. Tak więc atomy gazu są oddalone od siebie: Weźmy dla przykładu atom glinu, Al (wybieram Al, ponieważ jest to metal z dobrze upakowanymi atomami, o masie atomowej glinu bliskiej 27 i gęstości =2,7g/cm 3 ) cm 10cm V cm a Vo 1710 cm 2, N 610 / mol A cm 22415cm V0 3, N 610 / mol a 3 A V cm 3,3 10 Zauważmy: cząsteczka powietrza ma gęstość trzy rzędy mniejszą od gęstości ciała stałego ( w =1g/cm 3, pow =1,25g/l). 27.XI.2018 EKOJ - Wykład 8 3/ cm cm 3 8 cm

4 Elektron ładunek i masa elektronu q m 1, C kg m 1, , e 11 e e m 1, C C kg kg 27.XI.2018 EKOJ - Wykład 8 4/21

5 Jądro atomowe Podobne pomiary, jak dla promieni katodowych, przeprowadził Thomson dla promieni dodatnich. Zastosował skrzyżowane pola elektryczne i magnetyczne i stwierdził, że promienie dodatnie mają również jednoznacznie określone wartości q/m. Przy założeniu, że ładunek jonu jest równy ładunkowi elementarnemu Thomson mógł wyznaczyć masę jonu wodoru, która zgodnie z oczekiwaniem okazała się 1836 razy większa od masy elektronu. Thomson obserwował więcej niż jedną wartość q/m dla niektórych czystych chemicznie gazów. Badanie q/m dla neonu o masie atomowej 20,18 wskazało na dwa rodzaje neonu o identycznych własnościach chemicznych, ale o różnych masach atomowych 20 i 22. (Izotopy) 27.XI.2018 EKOJ - Wykład 8 5/21

6 Liczba atomowa i masowa Liczba nukleonów (protonów i neutronów) w jądrze to liczba masowa (A), która jest liczbą całkowitą, zbliżoną do masy atomowej pierwiastka. Liczba atomowa, decydująca o właściwościach chemicznych pierwiastka, to liczba protonów w jądrze, decyduje ona o ładunku jądra i jednocześnie o liczbie elektronów w powłoce atomowej, a jest oznaczana symbolem Z. Liczba neutronów jest oznaczana symbolem N. Liczba masowa, A=N+Z wskazuje ile razy atom cięższy jest od atomu wodoru. Tylko nieliczne substancje chemiczne składają się tylko z jednego rodzaju atomów. 27.XI.2018 EKOJ - Wykład 8 6/21

7 Budowa jader (A, Z) 12 C He XI.2018 EKOJ - Wykład 8 7/21

8 Odkrycie jądra atomowego 27.XI.2018 EKOJ - Wykład 8 8/21

9 Rozmiary jąder, eksperyment Rutherforda Przykładowe bezwzględne wartości promieni jader atomowych to: R (He)=2 fm, R(Mg)= 4 fm,, R( U ) = 7,5 fm, fm=10-15 m). 27.XI.2018 EKOJ - Wykład 8 9/21

10 Przedstawienie modelowe r 11 atomu 510 m r 15 jadra 410 m Pestka wiśni,moneta d=1cm 10 4 cm=100m wysoka wieża 27.XI.2018 EKOJ - Wykład 8 10/21

11 Rozmiary atomów i jąder 2 ~ 10 m ~ m ~ 10 2 m ~ m 27.XI.2018 EKOJ - Wykład 8 11/21

12 Przykładowe atomy -schemat Atom wegla Atom helu 27.XI.2018 EKOJ - Wykład 8 12/21

13 Masa protonugęstość materii jądrowej W jednym gramie wodoru znajduje się liczba atomów równa liczbie Avogadro (N A = 6x10 23 ) m N 1, g 610 Gęstość materii w nukleonie jest rzędu: g N 1, g 2, g cm 230 mln ton cm ,2 fm Dziś wiemy, że jądra atomowe składają się z protonów i neutronów, a ładunek jądra niosą tylko protony. Neutrony to cząstki neutralne o masie zbliżonej do masy protonu. 27.XI.2018 EKOJ - Wykład 8 13/21

14 Przykład rozmiarów 27.XI.2018 EKOJ - Wykład 8 14/21

15 Henri Becquerel 1896 Promieniotwórczość 27.XI.2018 EKOJ - Wykład 8 15/21

16 Pierwiastki promieniotwórcze 27.XI.2018 EKOJ - Wykład 8 16/21

17 Przemiany spontaniczne Spontanicznymi nazywamy procesy realizowane samorzutnie, w odróżnieniu od reakcji, dla których niezbędne jest oddziaływanie między "pociskiem" a "tarczą". Mówimy wówczas o przemianie spontanicznej, bądź o rozpadzie. Podstawową charakterystyką przemiany spontanicznej jest prawdopodobieństwo jej realizacji. Miarą jego jest stała zaniku, lub jej odwrotność, =1/, czyli średni czas życia. W fizyce jądrowej, rozważając przemiany promieniotwórcze, często używa się innej wielkości okres połowicznego zaniku, T 1/2 = ln XI.2018 EKOJ - Wykład 8 17/21

18 N Prawo rozpadu promieniotwórczego Rozpady obiektów nietrwałych podlegają statystycznemu prawu, które można zapisać w postaci; N Rozwiązanie: N e 0 Nt t N 1/ 2 dn dt Rozwiązanie po zlogarytmowaniu: 2 N 0 t T N N t 2 T N 0 ; m m 1/ 2 ln N ln N0 t 27.XI.2018 EKOJ - Wykład 8 18/21

19 Prawo rozpadu promieniotwórczego ln N ln N0 t Krzywa rozpadu promieniotwórczego w skali logarytmicznej 27.XI.2018 EKOJ - Wykład 8 19/21

20 Aktywność źródła A dn dt N Liczba jąder: N N e 0 t Aktywność: A dn N e 0 dt t 27.XI.2018 EKOJ - Wykład 8 20/21

21 Aktywność źródła Aktywnością promieniotwórczej próbki nazywamy liczbę rozpadów, zachodzących w jednostce czasu. Jednostki aktywności to:1ci - 1 kiur 1 Ci= rozpadów na sekundę, oraz znacznie mniejsza jednostka: 1Bq = 1bekerel = 1 rozpad na sekundę. 1Ci to aktywność radonu znajdującego się w równowadze promieniotwórczej z 1 g radu 27.XI.2018 EKOJ - Wykład 8 21/21

22 Scieżka stabilności n U Y J 3n Stabilne izotopy to: Y; J W rozszczepienu powstają izotopy neutrono-nadmiarowe: 27.XI.2018 EKOJ - Wykład 8 22/21

23 Rozpad A Z X Y e A Z1 e Z Z+1 rozpad trójciałowy, w stanie końcowym mamy trzy obiekty, trzecią cząstką, trudną w rejestracji jest neutrino 27.XI.2018 EKOJ - Wykład 8 23/21

24 Rozpad beta 14 C 14 N+ beta 27.XI.2018 EKOJ - Wykład 8 24/21

25 Rozpad 27.XI.2018 EKOJ - Wykład 8 25/21

26 Rozpady - widma A Z X A Z 1 Y e e A Z X A Z 1 Y e e 27.XI.2018 EKOJ - Wykład 8 26/21

27 Jak wykryć neutrino Obfite źródło antyneutrin elektronowych stanowi reaktor jądrowy, bardzo dużą "tarczę" protonów stanowi ciekły scyntylator (ok.1400 litrów) 27.XI.2018 EKOJ - Wykład 8 27/21

28 Rozpad + Z Z - 1 Pozytonium 27.XI.2018 EKOJ - Wykład 8 28/21

29 detektory Linia odpowiedzi LOR detektory 27.XI.2018 EKOJ - Wykład 8 29/21

30 Jak powstaje obraz PET 27.XI.2018 EKOJ - Wykład 8 30/21

31 ( 18 F) (C 6 O 5 FH 11 ) 27.XI.2018 EKOJ - Wykład 8 31/21