Budowa jądra atomowego - MODEL

Transkrypt

1

2 Budowa jądra atomowego - MODEL - Centralna część atomu (rozmiar: ~10-10 m) - Rozmiar liniowy jąder atomowych ~ m - skupiona prawie cała masa - Jądra stabilne (czas życia b. długi), jądra niestabilne (ulegają rozpadowi)

3 Wielkości charakteryzujące - Liczba atomowa Z (liczba porządkowa) - Liczba masowa A - Masa i energia wiązania - Promień jądra - Rodzaj przemiany - Okres połowicznego rozpadu - Stała rozpadu

4 M p = j.m.a M N = j.m.a M e = 1/1849 M p Masa jadra atomowego jednostki energii E = m. c 2 E(J) = m 0. c 2 = m 0. ( ) kg(m/s) 2 = m kg(m/s) 2 1 ev = J E(eV) = m 0 (kg) ev

5 Izotopy Atomy mające tą samą liczbę protonów ale różniące się liczbą neutronów

6 Izotopy węgiel 14 C jest cięższy od węgla 12 C, węgiel 14 C jest izotopem radioaktywnym

7 Izobary Atomy różnych pierwiastków, których jądra zawierają tyle samo nukleonów Taka sama liczba masowa A N O 17 F 7 8 9

8 Promień i gęstość Na podstawie badań R = r 0 A 1/3 r 0 = ( ) m = ( ) f fenomenologiczny zasięg sił jądrowych r j = M j V j = A. m n = kg/m 3 4/3. π. R 3

9 Energia wiązania i defekt masy Z. m p + N. m n > M j (Z,N) Dm = (Z. m p + N. m n ) M j (Z,N) Podczas łączenia się Z protonów i N neutronów w jądro, część masy zostaje zamieniona na energię E w = (Z. m p + N. m n ). c 2 M j (Z,N). c 2 E w < 0 jądro jest niestabilne (ulega rozpadowi)

10 Średnia energia wiązania Średnia energia wiązania przypadająca na jeden nukleon w jądrze w zależności od liczby masowej A E e = w A E wmax dla A~

11 Siły jądrowe Siły elektrostatyczne między protonami (prawo Coulomba) Trwały układ nukleonów

12 Ścieżka stabilności

13 Zasięg sił jądrowych Zasięg Siły jądrowe są przyciągające ~ 1-2 fm (1f =10 15 m) rząd odległości między nukleonami w jądrze Potencjał Yukawy V ~ exp (-a. r)/r

14 Właściwość wysycenia Oddziaływanie siłami jądrowymi zanika na inne cząstki (wysyca się), gdy nukleon jest całkowicie otoczony innymi nukleonami. Niezależność ładunkowa sił jądrowych Siły nie zależą od tego, czy jeden czy obydwa nukleony mają ładunek elektryczny proton i neutron są jednakowymi cząstkami Spinowa zależność sił jądrowych

15 Reakcje jądrowe Reakcja jądrowa przemiany jądrowe zachodzące spontanicznie lub wywołane sztucznie przez bombardowanie jąder za pomocą cząstek Prawa, które muszą być spełnione podczas reakcji - Prawo zachowania ładunku - Prawo zachowania liczby nukleonów - Prawo zachowania pędu - Prawo zachowania energii i masy

16 Pierwsza reakcja Rutherford Pociski : jądra ciężkie Duża energia kinetyczna potrzebna do pokonania odpychanie kulombowskie Duża liczba reakcji

17 Bilans mas i energii Bilans mas Bilans energii m x + M X m y + M Y m x c 2 + T x + M X c 2 +T X m y c 2 + T y + M Y c 2 +T Y m x, M X masy spoczynkowe substratów reakcji m y, M Y masy spoczynkowe produktów reakcji T x, T X, T y, T Y energie kinetyczne Energia reakcji m x c 2 + T x + M X c 2 +T X m y c 2 + T y + M Y c 2 +T Y

18 Energia reakcji jądro- tarcza znajduje się w spoczynku T X = 0 m x c 2 + M X c 2 +T X m y c 2 + T y + M Y c 2 +T Y (m x + M X )c 2 - (my + M Y )c 2 = (T y + T Y ) - T x (m x + M X ) masa wejściowa (m y + M Y ) masa wyjściowa (T y + T Y ) energia kinetyczna produktu T x energia kinetyczna pocisnku Q = (T y + T Y ) T x = Dmc 2 (m x + M X ) > (m y + M Y ) to (T y + T Y ) > T x Q > 0 reakcje egzoenergetyczne (m x + M X ) < (m y + M Y ) to (T y + T Y ) < T x Q < 0 reakcje endoenergetyczne

19 Przykład

20 Rozpady promieniotwórcze Rozpadem promieniotwórczym nazywa się zjawisko przemian zachodzących w jądrze, w wyniku których zostają emitowane cząstki na zewnątrz jadra. Jądra atomowe niektórych izotopów ulegają przemianom w jądra innych izotopów lub pierwiastków. Proces, który odbywa się samoistnie nazywany jest promieniotwórczością naturalną. Proces, który zachodzi pod wpływem czynników zewnętrznych nazywany jest promieniotwórczością sztuczną Promieniotwórczości towarzyszy emisja cząstek oraz kwantów promieniowania elektromagnetycznego. Basquerel (1896) odkrycie promieniotwórczości

21 Emisja cząstek a Rozpad a Emisja cząstki a (jądro helu) Jądro atomowe przekształca się w jądro innego pierwiastka, emitując cząstkę a (jądro helu) Ra 222 Rn He Promieniowanie biologicznie szkodliwe,mała przenikliwość (kilka cm )

22 Emisja cząstek b Przemiana b zachodzi gdy nie ma równowagi między ilością protonów i neutronów w jądrze Rozpad b - gdy liczba neutronów jest większa niż liczba protonów, neutron proton n p + e n e, emisja elektronu b K Ca + -1 e + n e 20 Rozpad b - gdy liczba neutronów jest mniejsza niż liczba protonów, n p + e + + n e, emisja pozytonu b + oraz neutrin elektronowych - n e Mn 51 0 Ca + e + n 24 e Promieniowanie biologicznie szkodliwe, głębokość penetracji ok. 1m

23 Emisja cząstek g Jądro macierzyste emituje foton (emisja promieniowania elektromagnetycznego) Liczba atomowa oraz liczba masowa nie zmieniają się. Emisja promieniowania g może towarzyszyć zarówno przemianie a, jak i b Ra Rn + He + g Na Mg + e + g Biologicznie wyjątkowo szkodliwe

24 Papier Aluminium Ołów

25 Rozpad spontaniczny Ciężkie jądro atomowe ulega spontanicznemu podziałowi na dwie (trzy) części A A 1 A Z X Y Y Z n Z A 1 +A 2 = A+ 2 oraz Z 1 + Z 2 = Z

26 Prawo przesunięć promieniotórczych Soddy ego i Fajansa Opisuje ono w jaki sposób określony typ przemiany izotopu promieniotwórczego wpływa na rodzaj wytworzonego nuklidu Przemiana α: powstaje izotop o liczbie masowej mniejszej o cztery i liczbie atomowej mniejszej o dwa (przesunięcie w układzie okresowym o dwa miejsca w lewo) A Z X A -4 Z-2 A A Z X Z 1 Y Y 238 U Rozpad β - : powstaje nuklid izobaryczny o takiej samej liczbie masowej i o liczbie atomowej większej o jeden (przesunięcie w układzie okresowym o jedno miejsce w prawo) 82Pb Rozpad β + powstaje nuklid izobaryczny czyli jądro pierwiastka o liczbie atomowej mniejszej o jeden oraz tej samej liczbie masowej (przesunięcie w układzie okresowym o jedno miejsce w lewo) X A A Z Z-1 Y 212 Th N Bi C

27 Prawo rozpadu promieniotwórczego Akt rozpadu promieniotwórczego jąder pierwiastków radioaktywnych jest zjawiskiem indywidualnym i jest procesem statystycznym (nie umiemy dokładnie przewidzieć, kiedy dany atom ulegnie rozpadowi promieniotwórczemu). W wyniku rozpadu malej liczba atomów pierwiastka macierzystego rośnie zaś liczba atomów pierwiastka pochodnego. W t 0 liczba atomów N 0, po t N. dn liczba atomów rozpadająca się w przedziale czasu dt - dn = l. N. dt ( - ubytek atomów) ; l stała rozpadu dn N dn = -ldt = - ldt N ln N = -lt C t = 0 N = N0 C = ln N 0 N -lt Liczba rozpadających się jąder promieniotwórczych = N 0 e maleje w czasie wykładniczo

28 Czas połowicznego zaniku Czas połowicznego zaniku (okres półtrwania, półrozpadu) Dla każdego pierwiastka promieniotwórczego charakterystyczny jest tzw. okres półtrwania (T 1/2 ), czyli przedział czasu, w którym pierwotna liczba jąder N o maleje do połowy, tj. gdy: N = N o /2. Dla m = 20 g radonu o T 1/2 = 4 dni N -lt1 0 = N0e ln 2 4dni 20g 10g = l T 1 2 4dni 5g 4dni 2,5g 4dni 1,25g... T = ln 2 l Średni czas życia jąder atomowych = 1 l

29 Okres połowicznego rozpadu: 10-7 s lat Do dyspozycji czas 0 Dla m = 20 g radonu o T 1/2 = 4 dni 20g 4dni 10g 4dni 5g 4dni 2,5g 4dni 1,25g... N = N 0 e -lt

30 Rodziny promieniotwórcze Większość pierwiastków promieniotwórczych występujących w przyrodzie jest ze sobą powiązana genetycznie i wchodzi w skład trzech rodzin promieniotwórczych tzw. szeregów promieniotwórcze (łańcuchy promieniotwórcze). Pierwiastek stojący na czele rodziny jest najdłużej żyjącym pierwiastkiem Każda rodzina kończy się trwałym izotopem, który dalej się nie rozpada

31 Rodzina torowa zaczyna się promieniotwórczym izotopem torem, w wyniku przemiany a przekształca się w promieniotwórczy rad, rad ulega przemianie b dając itd. rodzinę rozpadów kończy trwały izotop ołowiu Pb Th Ra 89Ac 228 Czas połowicznego rozpadu toru T1 / 2 = lat

32 Rodzina uranowa zaczyna się promieniotwórczym izotopem uranu Pb Czas połowicznego rozpadu uranu U T1 / 2 = , rodzinę rozpadów kończy trwały izotop ołowiu lat

33 W domu spokojnej starości dla ATOMÓW!!!

34 Rodzina aktynowo- uranowa zaczyna się promieniotwórczym izotopem uranu Pb Czas połowicznego rozpadu uranu U T1 / 2 = , rodzinę rozpadów kończy trwały izotop ołowiu lat

35 Rodzina neptunowa zaczyna się promieniotwórczym izotopem Np, rodzinę rozpadów kończy trwały izotop bizmutu Czas połowicznego rozpadu Np T1 / 2 = lat

36 114 nuklidów promieniotwórczych

37 A zaczęło się od r E. Rutherford odkrycie jądra atomowego 1932 r James Chadwick odkrycie neutronu Neutron nie posiada ładunku elektrycznego, jest więc stanie pokonać dodatni ładunek protonów i łatwością wniknąć w jądro 1934 r Irena i Fryderyk Curie-Joliot, odkrycie sztucznej promieniotwórczości a Al P n P Si 0 1 b n ( T1/ 2 = 3.25 min)

38 Reakcja 1938 Otto Hahn i Fritz Strassman * n U U Ba Kr 3n Q Q 200 MeV 1g U-235-1MW. 24h 1939 r Otto Frisch i Liza Meitner praca/ teoretyczne wytłumaczenie Energia jądrowa i promieniotwórczość", A. Czerwiński, Oficyna Edukacyjna Krzysztof Pazdro, Warszawa

39 Przebieg reakcji - prawdopodobieństwo - nie koniecznie krypton i bar, może powstać ok. 170 różnych jader - może być 2,3 lub więcej produktów rozszczepienia - w stanie końcowym może być 2 lub 3 neutrony - nie każdy neutron w wyniku oddziaływania z uranem musi je rozczepić. Energia jądrowa i promieniotwórczość", A. Czerwiński, Oficyna Edukacyjna Krzysztof Pazdro, Warszawa

40 Neutrony i jadro atomu - rozpraszanie elastyczne (neutron odbija się od jadra uranu) - rozpraszanie nieelastyczne (neutron uderza w jądro i zostaje pochłonięty, jadro stan wzbudzony stan podstawowy + neutron* + g -wychwyt radiacyjny ( neutron pochłonięty przez jadro, tworzy się nowy izotop jądro emituje g) - rozszczepienie jadra

41 Reakcja łańcuchowa rozszczepienia Energia neutronów (powstałych z rozszczepienia) MeV. Średnia wartość energii U-235 to 2.0±0.1 Neutron za szybki zwolnić Prędkość termiczna Neutrony termiczne wywołują rozszczepianie jąder o nieparzystej liczbie neutronów

42 U-235 U-238

43 U-235 i U-238 U-235 duży przekrój czynny (prawdopodobieństwo rozszczepienia 85%, wychwytu przez jadro 15%) U-238 mały przekrój czynny 24 pokolenie kwh Czas s = 1ms 93 % w trzech ostatnich pokoleniach (0.009ms)

44 Kontrolowana i niekontrolowana reakcja 1.niekontrolowana łańcuchowa reakcja rozszczepienia - broń o ogromnej sile rażenia. I sza na świecie bomba atomowa(stany Zjednoczone 16 lipca 1945 r godz.5:29:45 2. kontrolowana łańcuchowa reakcja rozszczepienia wydajne źródła energii. Urządzenie realizujące kontrolowana reakcję - reaktory jądrowe. 1. U-235,nawydajniej ulega rozszczepieniu pod wpływem neutronów termicznych, a w reakcji rozczepienia powstają neutrony prędkie 2. Naturalny uran zawiera 0.7% izotopu 235 i 99.3% izotopu 238

45 Problem i rozwiązanie Moderatory. Aby coś spowolnić trzeba mu zabrać energię. Jak: przez zderzenia Masa obiektu w który uderzamy masa obiektu który chcemy spowolnić Mały przekrój czynny na pochłanianie neutronów Neutrony natychmiastowymi Neutrony opóźnione

46 Reaktory jądrowe - klasyfikacja Przeznaczenie: energetyczne, ciepłownicze, badawcze, napędowe, szkoleniowe, specjalne, powielające Energia neutronów: neutrony termiczne ~ 0.1 ev prędkie ~ 1 MeV epitermiczne ~ Rodzaje reaktorów: termiczne (większość rozszczepień zachodzi w wyniku pochłonięcia przez jadra U-235 neutronów o energiach termicznych) prędkie (powielające) nie ma neutronów termicznych Rodzaje paliwa: izotopy rozszczepialne (U-235 i U-238) lub plutonu (Pu-239) reaktory termiczne uran (lub pluton jako paliwo mieszane) reaktory prędkie pluton

47 Stopień wzbogacenia Reaktory pracujące na: uran naturalny (reaktory gazowe) uran niskowzbogacony (2-6% U-235) reaktory energetyczne,lekkowodne uran średniowzbogacony (reaktory badawcze) uran wysokowzbogacony (90% U-235), reaktory energetyczne Postać chemiczna: uran metaliczny (reaktory gazowe, niskotemperaturowe, badawcze) dwutlenek uranu (UO 2, reaktory wodne energetyczne) węglik uranu (UC, wysokotemperaturowe reaktory) Konstrukcja prętów paliwowych: kształt: pręty, cylindry, pastylki, rurki, płytki, kulki Paliwo zamknięte w koszulkach stop cyrkonu, stali nierdzewnej, magnezu

48 Konstrukcja reaktorów Reaktory zbiornikowe (PWR, BWR) Okresowa wymiana paliwa Reaktory kanałowe (CANDU, RBMK) Ciągła wymiana paliwa (w celu wymiany paliwa reaktor Zostaje wyłączony i otwierany jest Zawierający pręty) Reaktory jądrowe typy i charakterystyka, Z.Cyliński, PW

49 Typ moderatora Reaktory lekkowodne (reaktory energetyczne) woda spełnia rolę moderatora neutronów oraz chłodziwa W ciężkowodnych reaktorach moderatorem jest ciężka woda (D 2 O) Pozostałe moderatorem jest grafit lub beryl Chłodziwo woda, ciężka woda,co 2, He, ciekły sód. Jeżeli ciekłe chłodziwo doprowadzane jest do wrzenia (H 2 O, D 2 O) wówczas reaktory nazywane są wrzącymi np. BWR

50 Podział reaktorów

51 Pręty paliwowe do wytworzenia tej samej ilości energii, jaką otrzymamy ze spalenia 1 kg uranu potrzeba 58 ton oleju opałowego lub 84 tony węgla.

52

53 Transport

54 Odpady radioaktywne Typy odpadów promieniotwórczych: materiały o znikomej radioaktywności oraz substancje o aktywności średniej lub dużej. I. Opady rozcieńczane są w środowisku naturalnym (gaz, wody morskie lub śródlądowe.) Rozcieńczenie musi oczywiście być na tyle skuteczne, by końcowa promieniotwórczość roztworu nie była wyższa od stężenia dopuszczalnego. II. Substancje mocno promieniujące należy odizolować od środowiska. Najczęściej są obkładane kilkoma warstwami nieprzepuszczającej powłoki i dodatkowo jeszcze szczelnie pakowane. Można również zmniejszać rozmiary ciał radioaktywnych przez ściskanie, sprasowywanie, palenie itp. Po takim spreparowaniu gotowe pakiety zabezpieczonych materiałów umieszcza się pod powierzchnią ziemi, starych kopalniach, sztolniach, lub na dnie oceanicznym. Radioaktywność takich opadów jest oczywiście malejąca funkcją czasu.

55 Elektrownie