doświadczenie Rutheforda Jądro atomowe składa się z nuklonów: neutronów (obojętnych elektrycznie) i protonów (posiadających ładunek dodatni +e)

Transkrypt

1 1

2 doświadczenie Rutheforda Jądro atomowe składa się z nuklonów: neutronów (obojętnych elektrycznie) i protonów (posiadających ładunek dodatni +e) Ilość protonów w jądrze określa liczba atomowa Z Ilość nukleonów jądrze określa liczba masowa A Liczba neutronów w jądrze N=A-Z 2

3 A Z X Liczba masowa = A Atomy posiadające tę samą liczbę atomową, ale różną liczbę neutronów nazywa się izotopami. Liczba atomowa = Z 3

4 Atomowa jednostka masy [u]: masa atomu węgla 12 C =12 u 1 u= kg Energia spoczynkowa = mc 2 =( kg) ( m/s) 2 = J = MeV cząstka masa [kg] masa [u] masa [MeV/c 2 ] proton neutron elektron

5 doświadczenie Rutheforda- bombardowanie jądra cząstkiami alfa d- odległość największego zbliżenia cząstka alfa 2 protony i 2 neutrony (jądro helu) mv q1q r eZe d r- promień jądra r r 1/3 0 A d 2 Ze mv 0 2 r fm 1 fm (jeden femtometr)=10-15 m Nukleony wchodzące w skład jądra można traktować jak gęsto upakowane kule 5

6 rozmiar jądra 1/ rozmiaru atomu! 6

7 Między dodatnio naładowanymi protonami występuje odpychające oddziaływanie elektryczne (siła Coulomba). Efekty odpychania są równoważone przez siły jądrowe - tak zwane oddziaływania silne działające między nukleonami. Oddziaływania silne działają tylko na bardzo małych odległościach, zbliżonych do rozmiarów jądra. Przy większych odległościach przeważają siły odpychania elektrycznego. 7

8 liczba neutronów ścieżka stabilności Ilość stabilnych jąder ok. 260 jądra stabilne punkty brązowe jądra niestabilne punkty szare Nadmiar neutronów w ciężkich jądrach stabilnych wynika z konieczności przeważenia odpychającej siły elektrycznych (między protonami) przez przyciągające siły jądrowe (między wszystkimi nukleonami) liczba protonów 8

9 Masa jądra jest mniejsza niż sumaryczna masa poszczególnych nukleonów wchodzących w jego skład. Energia (E=mc 2 ) jądra jako całości jest niższa niż sumaryczna energia poszczególnych nukleonów. Różnica pomiędzy energią jądra (jako całości) a sumaryczną energią poszczególnych nukleonów jest nazywana energią wiązania. Przykład: Jądro helu (A=4, Z=2). Masa protonów =2* u Masa neutronów =2* u Sumaryczna masa nukleonów = u Masa jądra helu = u Deficyt masy (energia wiązania)= u 9

10 energia wiązania na jeden nukleon [MeV] obszar najwyższej stabilności liczba masowa A 10

11 Promieniotwórczość (radioaktywność ) zdolność jąder atomowych do rozpadu promieniotwórczego, który jest związany z emisją: cząstek alfa () cząstek beta () (elektronów bądź pozytonów antycząstek elektronów) promieniowania gamma () (promieniowanie EM o wysokiej energii) Maria Skłodowska-Curie ( ) Nagroda Nobla z fizyki 1903 za odkrycie promieniotwórczości Nagroda Nobla z chemii 1911 za odkrycie radu 11

12 Wykrywanie produktów rozpadu promieniotwórczego przy wykorzystaniu pola megnetycznego (siła Lorenzta) detektor osłona ołowania źrodło radioaktywne pole B (za płaszczyznę rysunku) 12

13 N t N lub - stała rozpadu N Nt N t N exp t 0 chwilowa liczba jąder radioatywnych początkowa liczba jąder radioatywnych Liczba jąder radioaktywnych maleje wykładniczo z czasem T ½ - czas połowicznego rozpadu (czas po jakim rozpadowi uległa połowa jąder) N 0 2 N0 exp / T 1/ 2 T 1 / 2 ln 2 13

14 Rozpad alfa polega na emisji cząstek alfa ( 4 2He). W wyniku takiego rozpadu powstające jądro ma liczbę atomową Z mniejszą o 2, a liczbę masową A o 4 od rozpadającego się jądra. Przykłady: Podczas rozpadu alfa energia wiązania jest przekształcana w energię kinetyczną produktów rozpadu przed rozpadem po rozpadze 14

15 Rozpad beta minus ( - ) reakcja, w której emitowany jest elektron e - oraz antyneutrino. Neutron zostaje zastąpiony protonem. Rozpad beta plus ( + ) reakcja, w której emitowany jest pozyton e + oraz neutrino. Proton zostaje zastąpiony neutronem. A Z A Z X X Przykład: A Z 1 A Z 1 Y Y e e rozpad beta minus rozpad beta plus Neutrino cząstka nie posiadająca ładunku, bliską zeru masę, spin ½, oddziałująca bardzo słabo z materią (bardzo trudna do wykrycia) 15

16 Rozpad gamma jest to reakcja jądrowa, podczas której emitowane jest jedynie promieniowanie gamma, a nie są emitowane inne cząstki. Następuje zazwyczja po rozpadzie alfa lub beta, jako wynik powrotu jądra ze stanu wzbudzonego (o wyższej energii) do stanu podstawowego (o niższej energii) rozpad beta minus rozpad gamma jądro w stanie wzbudzonym jądro w stanie podstawowym 16

17 Spadek ilości izotopu 14 C z czasem Czas (lata) 0 100,00% 1 99,99% 2 99,98% 5 99,94% 10 99,88% 20 99,76% 50 99,40% ,80% ,61% ,14% ,62% ,54% ,67% ,89% ,94% ,24% Względna ilość izotopu 14 C Pod wpływem promieniowania kosmicznego w atmosferze powstaje w sposób ciągły radioaktywny izotop 14 C W organizmach żywych względna zawartość węgla 14 C jest stała za sprawą ciągłej wymiany węgla z otoczeniem. Po ustaniu procesów życiowych wymiana przestaje zachodzić i następuje rozpad: Czas połowicznego rozpadu - węgla 14 C 5740 lat 17

18 Oetzi człowiek lodu 3300 lat p.n.e 18