Podstawowe własności jąder atomowych

Transkrypt

1 Fizyka jądrowa Struktura jądra (stan podstawowy) Oznaczenia, terminologia Promienie jądrowe i kształt jąder Jądra stabilne; warunki stabilności; energia wiązania Jądrowe momenty magnetyczne Modele struktury jądra Procesy rozpadu promieniotwórczego; prawo rozpadu i datowanie Biologiczne skutki promieniowania Rozszczepienie jądra, reakcje łańcuchowe, reaktory jądrowe i bomby atomowe Synteza termojądrowa 1

2 Podstawowe własności jąder atomowych Nuklid Z liczba atomowa (liczba protonów) N liczba neutronów A = Z + N liczba masowa (liczba nukleonów) Oznaczenie nuklidu: lub Masa nuklidu: Izotopy: identyczne Z, różne N. Np. 35Cl (76%), 37Cl (24%) Mechanizm przyciągania pomiędzy nukleonami: Oddziaływania silne pomiędzy kwarkami 2

3 Promień jądra Rozpraszanie Rutherforda Eisberg, Porter, Rev. Mod. Phys. 33, 190 (1961) grafika: 3

4 Promień jądra Rozpraszanie wysokoenergetycznych elektronów Hofstadter, Annu. Rev. Nucl. Sci. 7, (1957) 4

5 Promień jądra Rozpraszanie wysokoenergetycznych elektronów rozkład gęstości ładunku Hofstadter, Annu. Rev. Nucl. Sci. 7, (1957) 5

6 Stabilność jąder Diagram Segré'go mapa stabilności nuklidów: Z Nie ma stabilnych jąder dla A > 209 lub Z > 83 duże jądra są niestabilne N Dla lekkich jąder N = Z Dla cięższych jąder Z < N (redukcja energii kulombowskiej) 6

7 Stabilność jąder Zakaz Pauliego preferowane N ~ Z Odpychanie kulombowskie N > Z dla ciężkich jąder Siły jądrowe (oddziaływania silne): Krótkozasięgowe Silne Preferuje pary z przeciwnym spinem Wiąże pary (2n, 2p) p,n EE OO EO OE Total Stable Long-lived All primordial

8 Energia wiązania jądra EB/A [MeV] defekt masy A 8

9 Spin jądra i NMR Spin protonu i neutronu: Całkowity moment pędu: Spinowy moment magnetyczny: proton: neutron: magneton jądrowy Proton i neutron są cząstkami złożonymi Magnetyczny rezonans jądrowy (NMR) Widmo NMR etanolu 9

10 Obrazowanie rezonansu magnetycznego Obrazowanie rezonansu magnetycznego (MRI): Medyczne zastosowanie NMR Obraz struktury ciała żyjącego człowieka Metoda mało inwazyjna, nie występuje ekspozycja na promieniowanie jonizujące Funkcjonalne obrazowanie NMR (fmri): Obrazowanie aktywności neuronalnej kory mózgowej i rdzenia kręgowego 10

11 Modele struktury jądra Model kroplowy (Gamow 1935): Nieściśliwa ciecz nukleonów utrzymywanych przez krótkozasięgowe oddziaływania i napięcie powierzchniowe Siły jądrowe Energia powierzchniowa Energia kulombowska Równowaga neutron-proton Energia parowania : '+' jeśli Z i N parzyste, '-' jeśli Z i N nieparzyste, 0 poza tym półempiryczna formuła masowowa 11

12 Modele struktury jądra Model powłokowy: Nukleony w efektywnym potencjale Powłoki protonowe i neutronowe Najstabilniejsze jądra: całkowicie zapełnione powłoki magiczne liczby protonów lub neutronów 2, 10, 20, 28, 50, 82, (126) U [MeV] R 20 0 r

13 Radioaktywność (1896) Szereg promieniotwórczy uranowy Henri Becquerel 13

14 Rozpad promieniotwórczy α np. 238U 234Th + 4He cząstka a 228U 238U Cząstka a tuneluje przez barierę potencjału Czas rozpadu zależy od energii reakcji 14

15 Rozpad promieniotwórczy β węgiel 14 Rozpad azot 14 antyneutrino β- elektron węgiel 14 n p + b- + ne 6 protonów 8 neutronów węgiel 10 Rozpad 7 protonów 7 neutronów bor 10 neutrino węgiel 14 β+ pozyton węgiel 14 p n + b+ + ne 6 protonów 4 neutronów 5 protonów 5 neutronów węgiel 11 Wychwyt elektronu p + b- n + ne bor 11 elektron węgiel 14 6 protonów 5 neutronów węgiel neutrino14 5 protonów 6 neutronów 15

16 Rozpad promieniotwórczy γ stabilny Cząstka gamma wysokoenergetyczny foton Przejście pomiędzy stanami jądra bez zmiany liczb Z, N 16

17 Rozpad promieniotwórczy i datowanie aktywność próbki (szybkość rozpadu) 1 bekerel = 1 Bq = 1 rozpad na sekundę; 1 kiur = 1 Ci = 3, Bq stała rozpadu prawo rozpadu promieniotwórczego Średni czas życia Czas połowicznego zaniku Datowanie na podstawie rozpadu promieniotwórczego 14C 14N, T1/2 = 5730 lat wiek organizmów i materiałów organicznych (historia, archeologia, biologia) 40K 40Ar, T1/2 = 1, lat wiek skał (geologia, paleontologia) 17

18 Biologiczne skutki promieniowania Dawka pochłonięta: energia na jednostkę masy tkanki 1 grej (Gy) = 1 J/kg 1 rad = 0,01 J/kg = 0,01 Gy Względna skuteczność biologiczna (WSB, ang. RBE) Promieniowanie X i γ Elektrony (γ) Wolne neutrony Protony Cząstki γ Ciężkie jony Równoważnik dawki pochłoniętej: WSB dawka pochłonięta 1 siwert (Sv) = WSB 1 Gy 1 rem = WSB 1 rad 18

19 Dawki promieniowania normy i przykłady Dopuszczalna dawka w związku z działalnością zawodową dla ogółu ludności: 1 msv/rok Dopuszczalna dawka dla pracowników: 20 msv/rok (rozp. RM z ) RTG klatki piersiowej: 0,2 0,4 msv Tło naturalne: 2 3 msv/rok (radon, opad promieniotwórczy, promieniowanie kosmiczne) Dawka śmiertelna (w krótkim okresie czasu): 5 Sv 19

20 Reakcje jądrowe EB/A [MeV] Rutherford (1919): Zasady zachowania: ładunek energia pęd moment pędu liczba nukleonów A Energia reakcji A + B C + D 20

21 Rozszczepienie jądrowe (Lise Meitner, Otto Hahn, Fritz Strassmann, lata 30. XX w.) trwały trwały 21

22 Rozszczepienie jądrowe model kroplowy Rozszczepialność wybranych nuklidów przy użyciu neutronów termicznych Nuklid tarczy Nuklid rozszczepiany En [MeV] Eb [MeV] rozszczepienie przez n. termiczne? tak nie tak nie 22

23 Reakcja łańcuchowa Współczynnik rozmnożenia neutronów: Masa krytyczna: samopodtrzymująca się, stabilna reakcja łańcuchowa 23

24 Reaktor jądrowy Reaktor wodny ciśnieniowy (PWR, WWER) 24

25 Bomba atomowa Ładunek konwencjonalny Podkrytyczne bryły uranu 235 Metoda wstrzeliwania Ładunki konwencjonalne Rdzeń plutonowy Metoda implozyjna 25

26 Synteza termojądrowa Warunki syntezy termojądrowej Wysoka temperatura Duża gęstość przez dostatecznie długi czas kryterium Lawsona: Metody utrzymywania plazmy: Magnetyczna tokamak Inercyjna kapsułki D-T ogrzewane laserowo 26