FIZYKA JĄDRA ATOMOWEGO

Transkrypt

1 FIZYKA JĄDRA ATOMOWEGO Ato Jest to najniejszy, niepodzielny etodai cheicznyi składnik aterii. Atoy składają się z jądra i otaczających to jądro elektronów. Elektron Ładunek: Masa: qe e 19 = e ( e = 1, 6 10 C) = 9,1 10 kg = 0,511 MeV, ( 1 ev = 1, 6 10 J ) Spin: S= ss ( + 1), s = 1/2 Jądro atoowe Jądro najprostszego atou - atou wodoru- składa się z pojedynczego protonu. Jądra wszystkich pozostałych atoów składają się z protonów i neutronów. Protony i neutrony nazywane są nukleonai. Fizyka jądra atoowego 1

2 Proton Ładunek: qp = + e Masa: p 27 = 1, kg = 938, 27 MeV = 1836, 2 e Spin: s = 1/2 Neutron Ładunek: q n = 0 Masa: n = = 27 1, kg 939,57 MeV=1838,7 = 1, 29 MeV = 2,5 n p e e Spin: s = 1/2 W stanie swobodny neutron jest niestabilny (proieniotwórczy) - rozpada się saorzutnie (średni czas życia ok. 15 in) wg scheatu: n p+ e + n ν - antyneutrino ( ν = 0 ) W tej reakcji występujący tu nadiar asy (1,5 = 0, 77 MeV ) wydzielany jest w postaci energii kinetycznej tworzących się cząstek. e Fizyka jądra atoowego 2

3 Wielkości charakteryzujące jądro atoowe Z - Liczba atoowa. Jest to liczba protonów wchodzących w skład jądra. Liczba Z określa: - ładunek jądra, który jest równy + Ze, - liczbę porządkową pierwiastka w układzie okresowy Mendelejewa. A - Liczba asowa jądra. Jest to liczba nukleonów (tj. suaryczna liczba protonów i neutronów) w jądrze. N - Liczba neutronów w jądrze. N = A Z Oznaczenia jąder atoowych A X Z X - sybol cheiczny danego pierwiastka. Fizyka jądra atoowego 3

4 Izotopy Są to jądra o jednakowych Z (takich saych liczbach protonów), ale różnych A. Większość pierwiastków a po kilka stabilnych izotopów. Stabilne izotopy tlenu: 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O. Izotopy wodoru: 1 1H - zwykły wodór, prot (trwały), 2 1H - ciężki wodór, deuter (trwały), 3 1H - tryt (proieniotwórczy, okres połowicznego rozpadu ok. 12,3 lat). Inne klasyfikacje jąder atoowych Izobary - Są to jądra o jednakowych liczbach asowych A. Np Ar i Ca. 20 Izotony - Jądra o jednakowych liczbach neutronów. Np C i 14 7 N. Izoery - Proieniotwórcze jądra o jednakowych liczbach A i Z, ale różniące się czase połowicznego zaniku. Np. istnieją dwa izoery jądra 80 Br : τ 35 1 = 18 in., τ 2 = 4,4 h. Fizyka jądra atoowego 4

5 Ogólna charakterystyka jąder atoowych Znanych jest ok jąder różniących się wartościai albo A, albo Z, albo wartościai obu tych liczb jednocześnie. Z nich ok. 300 jest trwałych, pozostałe są proieniotwórcze. Wiele jąder zostało wytworzonych w sposób sztuczny. Na Ziei występują pierwiastki o liczbach atoowych Z od 1 do 92. Wyjątek stanowią 43 Tc (technet) i 61 P (proet), które otrzyano sztucznie. Na Ziei występuje również w znikoych ilościach 94 Pu (pluton). Pozostałe (transuranowe) pierwiastki ( Z = (93,118)) zostały wytworzone sztucznie. Wyiary jąder atoowych W pierwszy przybliżeniu ożna uważać, że jądro a postać kuli o proieniu r = objętość jądra jest proporcjonalna do A ,3 10 A Wynika stąd, że gęstość aterii we wszystkich jądrach jest w przybliżeniu jednakowa. Fizyka jądra atoowego 5

6 Masa jądra i energia wiązania Masa jądra N jest zawsze niejsza od suy as cząstek wchodzących w jego skład. Przy łączeniu się nukleonów w jądro wydziela się energia wiązania { ( ) } 2 Ew = Zp + A Z n N c N - asa spoczynkowa jądra. Energia wiązania jest równa pracy, jaką należy wykonać, aby rozdzielić jądro na składające się nań nukleony i odsunąć je na takie odległości, przy których praktycznie nie oddziałują one ze sobą. Z dobry przybliżenie również zachodzi {[ ] } 2 H ( ) E = Z + A Z c H - asa atou wodoru, w n a E w a - asa danego atou. Defekt asy jądra Jest to wielkość = Z + ( A Z) Zachodzi również = Ew / c p n N 2 Współczynnik upakowania - Defekt asy przypadający na jeden nukleon ( / A). Fizyka jądra atoowego 6

7 Defekt asy jądra, cd. Np. dla 4 2 He ożna wyliczyć, że Ew / A= 7,1 MeV, co oznacza, że energia wiązania przypadająca na jeden nukleon jest około 6 10 razy większa od energii wiązania elektronów walencyjnych w atoach, które to energie są rzędu 10 ev. Najsilniej związane są nukleony w jądrach o liczbach asowych rzędu 50-60, co odpowiada pierwiastko od Cr do Zn. Wydzielanie dużych energii powinno towarzyszyć dwu typo reakcji: Podział ciężkich jąder na kilka lżejszych ( 240 MeV na 1 podział), Łączenie (synteza) lekkich jąder w jedno jądro ( 24 MeV dla reakcji H + H = He) Fizyka jądra atoowego 7

8 Defekt asy jądra, cd. W zwykłych warunkach ciężkie jądra nie dzielą się spontanicznie na kilka części, bo w ty celu uszą przejść szereg stanów pośrednich, których energie są wyższe niż energia stanu podstawowego jądra. U podstaw działania reaktorów jądrowych i boby atoowej leży proces dzielenia się jąder uranu pod wpływe pochwyconych przez jądra neutronów. Jądra lekkie nie łączą się saorzutnie w jądra cięższe, gdyż w ty celu uszą się one zbliżyć 15 na bardzo ałą odległość ( 10 ). Takieu zbliżeniu przeciwdziała ich kulobowskie odpychanie. Dla zaistnienia takich reakcji potrzebne są bardzo wysokie teperatury rzędu kilku ilionów kelwinów. Siły jądrowe Jądrowe oddziaływanie iędzy nukleonai nosi nazwę szczątkowego oddziaływania silnego. Oddziaływanie to a charakter przyciągający. Oddziaływanie jądrowe uwarunkowane jest ty, że nukleony wyieniają ze sobą wirtualne cząstki, ezony. Mezony stanowią kobinacje kwarków i właściwych nośników oddziaływania silnego gluonów. Fizyka jądra atoowego 8

9 Siły jądrowe, cd. Własności sił jądrowych: Krótkozasięgowość Zasięg działania sił jądrowych jest rzędu W odległościach istotnie niejszych od w odpychanie przyciąganie nukleonów zaienia się Niezależność ładunkowa Oddziaływanie silne nie zależy od ładunku nukleonów. Siły jądrowe działające iędzy dwoa protonai, iedzy protone i neutrone oraz iędzy dwoa neutronai ają tę saa wielkość. Zależność od orientacji spinów Siły jądrowe zależą od wzajenej orientacji spinów nukleonów. Np. proton i neutron tworzą jądro ciężkiego wodoru - deuteron - gdy ich spiny są równoległe. Fizyka jądra atoowego 9

10 Własności sił jądrowych, cd. Niecentralność Siły jądrowe nie są skierowane wzdłuż prostej łączącej środki oddziaływujących ze sobą nukleonów. Wynika to, np. stąd, że zależą one od orientacji spinów nukleonów. Wysycanie Każdy nukleon w jądrze oddziałuje z ograniczoną liczbą nukleonów. Powoduje to, że energia wiązania przypadająca na jeden nukleon oraz gęstość jądra nie rośnie ze wzroste liczby nukleonów. Proieniotwórczość Jest to saorzutne przekształcanie się - z towarzyszenie eisji cząstek eleentarnych - jednych jąder atoowych w inne. Przekształcenio taki ulegają jedynie jądra nietrwałe. Fizyka jądra atoowego 10

11 Rodzaje procesów proieniotwórczych 1) Rozpad α, 2) Rozpad β (w ty również wychwyt elektronu), 3) Jądrowe proieniowanie γ, 4) Spontaniczne dzielenie się ciężkich jąder, 5) Proieniotwórczość protonowa. Diagra ożliwych przeian jądra proieniotwórczego o liczbie protonów Z i liczbie neutronów N. EC oznacza wychwyt elektronu (electron capture). Proieniotwórczość - naturalna Proieniotwórczość jąder występujących w przyrodzie. Proieniotwórczość - sztuczna Proieniotwórczość jąder otrzyanych drogą reakcji jądrowych. Fizyka jądra atoowego 11

12 Prawo przeian proieniotwórczych Poszczególne jądra proieniotwórcze ulegają przeiano niezależnie od siebie. Można zate przyjąć, że dn = λ N() t dt dn - Przyrost liczby jąder w ciągu krótkiego czasu dt. λ Nt () - Stała rozpadu, stała charakterystyczna dla danej substancji proieniotwórczej. - Liczba jąder proieniotwórczych w danej chwili. Aby dn ogło być uważane za przyrost liczby jąder proieniotwórczych, użyto znaku inus. Po scałkowaniu: Nt () = N e λt 0 N 0 - liczba jąder w chwili początkowej (dla t = 0). Liczba jąder proieniotwórczych aleje eksponencjalnie. Fizyka jądra atoowego 12

13 Czas połowicznego zaniku Jest to czas, w ciągu którego rozpada się połowa początkowej liczby jąder. Oznaczany jest przez T, a jego zależność od stałej rozpadu wyliczana jest z warunku: 1 2 N = N e λt 0 0 ln 2 0,693 T = = l l Aktywność substancji proieniotwórczej Jest to liczba rozpadów, jakie zachodzą w preparacie w jednostce czasu. Jeżeli w preparacie w ciągu czasu dt ulega rozpadowi At dn dt dn dt rozp () = = =λ N() t dnrozp Średni czas życia jądra proieniotwórczego τ = dn jąder, to aktywność At () jest równa 0 1 lt τ t dnrozp, dnrozp = dn = λn() t dt = λn0 e dt N 0 0 lt 1 τ = λ t e dt =, T = τ ln 2 l 0 N Fizyka jądra atoowego 13