Rozpady β - Możliwe gdy M(Z,A) > M(Z+1,A) (Zauważmy, że uwzględniliśmy masę elektronów w atomie - Z*m e ) mają. Rozpady β +

Transkrypt

1 Rozważmy jadra o niparzystych A (odd-vn, δ=0) Np. A=101, minimum paraboli dla: Ru Więcj nutronów mają: 42 Mo, Tc I to on rozpadają się dzięki przjściu: n p Mo Tc Tc + Ru + + ν + ν Rozpady β ν Możliw gdy M(Z,A) > M(Z+1,A) (Zauważmy, ż uwzględniliśmy masę lktronów w atomi - Z*m ) Więcj protonów niż Ru mają Rh, Pd Ag stąd: , Pd Rh Rh + Ru ν + ν Rozpady β + Możliw dla M(Z,A)>M(Z-1,A)+2m

2

3 Dla jądr parzystych: Np. A=106 Jądra parzysto -parzyst Pd, Cd Ru lża na dolnj paraboli , Pd Jst najbardzij stabilny Cd Jst stabilny z względu na rozpad bta, bo jgo niparzysto niparzyści sąsidzi lżą powyżj na paraboli masy Ru Rozpada się w procsi β - Jądra niparzysto niparzyst Rh, 47Ag, Ru In Rh + + ν Ag Pd ν Jądra niparzysto niparzyst zawsz mają przynajmnij jdngo lżącgo poniżj na paraboli masy (silnij związango) sąsiada a zatm są β nistabiln (poza grupą lkkich jądr)

4

5 Wychwyt lktronu W ciężkich jądrach wychwytywany bywa z powłoki K lktron, który oddziałuj z protonm jądra: + p n + ν Zwykl na uwolnion mijsc na powłoc K spada inny lktron i obsrwujmy sri prominiowania (atomowgo). -stąd tż nazwa wychwyt proministy Oddziaływani p to taki sam procs jak miliśmy: µ ν d ν µ W + u d W d u d u

6 Procs: ν M W 80GV / c 2 u d Zatm jgo obcność winna być widoczna dla dużych nrgii dla małych nrgii ν u d Czy tak jak widział to Frmi w roku 1934 ν prawdopodobiństwo procsu p ν n jst proporcjonaln do ψ H ψ f i p n Al tż gęstości dostępnych stanów końcowych ρ( E )

7 Rozpad bta jst rozpadm trójciałowym, pęd lktronu p moż przyjmować różn wartości N à Stąd hipotza Pauligo o istniniu nutrina, doświadczalni potwirdzona w roku 1956 (Rins i Cowan) ρ P Można pokazać, ż: ( E ) de = p( Emax E ) 2 2 ( p ) dp ~ M F( Z, p ) p ( Emax E ) dp p M lmnt macirzowy F ( Z, p ) Funkcja Frmigo Zatm jśli policzymy (można) wartości funkcji Frmigo F a wartości M ni zalżą od nrgii lktronu (rozsądn założni) to wykrs w funkcji nrgii lktronu E wilkości: p 2 P F ( p ) ( Z, p ) powinin być linią prostą P(p)~N(p) znamy z doświadcznia, F z tabl/obliczń

8 p 2 P F ( p ) ( Z, p ) = const M max ( E E ) Wykrs Kuri E max Uwaga: jśli m ν różn od zra to wartość E max zmalj à mtoda pomiaru masy nutrina lktronowgo (PDG2010: m ν <2 V/c 2, rozpad trytu) Czasy życia pirwiastków bta prominiotwórczych: od kilku ms do lat, zalży między innymi od wydzilonj nrgii E 1 E τ 5 E

9 K Przykład: Potas 19 jst istotnym pirwiastkim z punktu widznia działania organizmów żywych (przkaz sygnałów w układzi nrwowym odbywa się przy pomocy jonów potasu). 40 K jst długożyciowy i stanowi 0.01% zasobów tgo pirwiastka. Al jst odpowidzialny 19 za 16% dawki naturalngo prominiowania otrzymywanj przz człowika β + ( 0.001% )

10 Podwójny bznutrinowy rozpad β n p W n W υ p Możliw tylko wtdy gdy ν jst swoją antycząstką (nutrino Majorany)

11 20 sktorów Dtktor NEMO3 Z udziałm grup z Warszawy Fréjus Undrground Laboratory : 4800 m.w.. źródło: 10 kg izotopów ββ cylindryczn foli, S = 20 m 2, 60 mg/cm 2 3 m Dtktor śladowy: drift wir chambr (6180 clls) Gas: H + 4% thyl alcohol + 1% Ar + 0.1% H 2 O B (25 G) 4 m Kalorymtr: 1940 plastikowych scyntylatorów światło zbiran przz fotopowilacz Background: natural radioactivity, mainly 214 Bi t 208 Tl (γ 2.6 MV) Radon, nutrons (n,γ), muons, ββ(2ν)

12 Rozszczpini Jądrow: Spontaniczn: 56 F Ma największą nrgię wiązania /nuklon. Większa nrgia wiązaniaàmnijsza masa, zatm podział na 2 części moż być korzystny nrgtyczni. (w zasadzi od A=40, w praktyc uran) rozpycha jądro odd. coulombowski Utrzymuj oddziaływani jądrow a V A 3 A a s 2 a c Z A 2 1 3

13 Rozważmy taką dformację kulistgo jądra do lipsoidy obrotowj aby objętość jądra pozostała stała. Przy takij dformacji nrgia coulombowska malj a nrgia związana z siłami powirzchniowymi rośni. Jaki będzi znak ΔE=E s -E c? Można pokazać, ż przybliżon wyrażni na tę różnicę ma postac: ΔE = E s E c 2 ε 2 Z = 3 2as A ac 5 A Jśli znak ΔE będzi ujmny to procs dformacji, jako korzystny nrgtyczni, będzi się pogłębiał i doprowadzi do rozszczpinia jądra. A stąd warunk: 2 Z 2as 48 Warunk tn spłniony jst dla Z>114, A>270 A a c ε- jst pwną miarą dformacji jadra V( r) ΔV V ( r) = 2 Z 2 α! c r Barira potncjalna dla rozszczpinia ciężkigo jądra na dwi równ części (Z/2). Dla ciężkich jądr (Z~92) r ΔV 6 MV

14 Rozszczpini wymuszon ΔV 6 MV Taką nrgię w miarę łatwo dostarczyć jst za pomocą nutronu to moż prowadzić do rozszczpinia U Na przykład : przy wychwyci nutronu przz wydzila się 4.9 MV nrgii ( w szczgólności na skutk zmiany nrgii parowania) Jst to poniżj progu na rakcję rozszczpinia U który wynosi 5.5. MV Brakującą nrgię mógłby wniść nutron (szybki nutrony), al przkrój czynny na wychwyt malj z prędkością 1 Al W wychwyci nutronu przz σ V U n+ 92 U 92U uwalnia się 6.4 MV nrgii, a barira na rozszczpini U wynosi 5.5 MV Zatm do rozszczpinia jadra (trmiczn) U wystarczą nutrony powoln

15 Przkrój czynny na rozszczpini 235 U w funkcji nrgii nutronu Dlaczgo taki duży? λ =! =! p 2mE Modl Ramsaura σ π ( R + λ) 2 πλ 2

16 235 92U

17

18 k = k <1 k =1 k >1 liczba nutronów w ( n +1) kroku liczba nutronów w n kroku -procs podkrytyczny -procs krytyczny -procs nadkrytyczny Śrdnia droga swobodna dla 2 MV nutronu w mtalicznym σ 7 b; ρ =19.1 g cm 3 λ = 1 N 0 σ = *19.1* cm σ fision σ tot U = p 0.18 p(1 p) n 1 rozszczpinia w prawdopodobiństwo n-tym zdrzniu

19 n = n=1 ( ) np 1 p n 1 Śrdnia liczba zdrzń potrzbna do wywołania rozszczpinia n 6 d = λ 6 7 cm śrdni przsunięci Zatm rakcja łańcuchowa mogłaby zachodzić w kuli o prominiu około 7 cm V = 4 3 π R 3 M 1400cm 3 *19.1 g 27 kg 3 cm masa krytyczna al ni uwzględniamy uciczki nutronów w rzczywistości masa krytyczna bliska jst 50 kg U Dla Pu masa krytyczna wynosi około 10 kg

20 Rozkład mas produktów rozszczpinia

21 Rozkład czasowy mitowanj nrgii

22 Do kontrolowanj rakcji łańcuchowj potrzbn są nam jszcz: modrator (spowalniacz) nutronów (nutron traci najwięcj nrgii w zdrzniu z obiktami o podobnj jak on masi) pochłaniacz nutronów do kontrolowania rakcji pręty z kadmu Cd wychwytującgo nutrony (zmnijsza to liczbę koljnych rozszczpiń) Bilans nrgii dla rozszczpinia jądrowgo nrgia kintyczna jądr ~165 MV nrgia kintyczna nutronów... ~5 MV nrgia mitowana przz natychmiastow kwanty γ. ~7 MV nrgia mitowana przz i γ z wzbudzonych jądr prominiotwórczych. ~25 MV Razm ~200 MV

23

24 W dniu 4 stycznia 2005 rząd przyjął dokumnt Polityka nrgtyczna Polski do 2025 roku, w którym napisano [1] : Z względu na koniczność dywrsyfikacji nośników nrgii pirwotnj oraz potrzbę ogranicznia misji gazów ciplarnianych do atmosfry, uzasadnion staj się wprowadzni do krajowgo systmu nrgtyki jądrowj Poniważ prognozy wskazują na potrzbę pozyskiwania nrgii lktrycznj z lktrowni jądrowj w drugim dzisięciolciu rozpatrywango okrsu, to biorąc pod uwagę długość cyklu inwstycyjngo koniczn jst nizwłoczn rozpoczęci społcznj dbaty na tn tmat.

25

26 Typy raktorów: 1. Na powolnych nutronach (trmiczny). Paliwo: naturalny uran 0.7% U lub wzbogacony uran 2 3% U 2. Na szybkich nutronach (brdr) Paliwo: Pluton (z zużytgo paliwa raktora typu 1) Pu n U ( 23minuty) Np( 2.4dni) Pu( yrs) Rdzń: 20% Pu 80% 238 U, płaszcz 238 U NETTO ILOŚĆ PLUTONU W REAKTORZE TYPU 2 ROŚNIE!!!

27 Jak pozbyć się odpadów radioaktywnych? Wzmacniacz Enrgii - Carlo Rubia odpady 235 U paliwo masa podkrytyczna 208 Pb spallacja proton linac 1 GV τ y Nutrony z spallacji Pb przkształcą odpady w lmnty krótko życiow

28 Rakcj syntzy (trmojądrowj) Przykład: dutr + tryt 2 1H H 4 2 H n wydzila się 17.6 MV nrgii, >14 MV zabira nutron Jak osiągnąć i utrzymać T> K?? Jak utrzymać plazmę???

29 Barira Coulombowska: V C = ZZ ' 2 ' 4πε ( 0 R + R ' ) =1.198 ZZ A 1/3 + A ' ( ) 1/3 MV Dla : A A ' 2Z V C 0.15* A 5/3 Nich A = 8 wtdy V C 4.8 MV Zdrzacz lkkich jądr??? -nistty dominuj rozpraszani lastyczn àtrzba użyć równowagi trmodynamicznj

30 Zwirciadło magntyczn Lini sił pola B

31 Tokamak

32

33 Mtody ogrzwania plazmy: Ogrzwani opornościow Wstrzykiwani wiązki atomów Komprsja magntyczna RF (rzędu 100 GHz) Odbiór nrgii z plazmy: Poprzz misj nutronów

34 Główn projkty: ITER (Intrnational Thrmonuclar Exprimntal Ractor) lokalizacja: Cadarach Francja współpraca: EU, USA, Japonia, Chiny i Rosja moc 500 MW/500 sc czas ralizacji??? 2018 JET (Joint Europan Torus) lokalizacja : Culham Scinc Cntr UK moc 16 MW/1 sc współpraca :. IFD (komory GEM do monitorowania plazmy) działa!!!

35 Gas Elctron Multiplir Dtctor for X-ray Crystal Spctromtry (GXS) h Tchnical dscription of th GEM dtctors M. Chrnyshova, T. Czarski, K. Jakubowska, L. Karpiński, J. Rzadkiwicz, M. Scholz W. Dominik, H. Czyrkowski, R. Dąbrowski, K. Kirzkowski, Z. Sałapa, G. Kasprowicz, K. Poźniak, W. Zabołotny, A. Shumack, S. Tyrrll, K.-D. Zastrow Institut of Plasma Physics and Lasr Microfusion, Warsaw Warsaw Univrsity, Faculty of Physics, Institut of Exprimntal Physics, Warsaw Warsaw Univrsity of Tchnology, Institut of Elctronic Systms, Warsaw Euratom/CCFE Fusion Association, Culham Scinc Cntr, Abingdon

36 Dtction concpt Ø Gas dtctor (204x 90 mm 2 ) Ø Ø Dtctor opratd in gas flow mod Construction matrials: all plastic (dlrin was chosn) Ø High charg gain Ø Stabl opration at wid rang of X-ray rats Ø Good nrgy rsolution hν Tripl GEM structur 70 µm 140 µm Dcmbr 4, 2012 F. Sauli t al Nucl. Instr. and Mth. A 505 (2003) 195 GXS Projct Tchnical Mting, JET, 36 Culham, UK

37 Rakcj spalania wodoru Cykl ppi ( 10 7 <T<1.4*10 7 K) (słonczny) 1 H + 1 H 2 D + + +ν MV 2 D + 1 H 3 H +γ MV 3 H + 3 H 4 H + 1 H + 1 H MV

38

39 Ewolucja gwiazd: po wypalniu wodoru rozpoczyna się (pod wpływm grawitacji) spalani hlu a następni dalszych pirwiastków Spalani kończy się na F i zaczyna się procs zapadania grawitacyjngo Jśli gwiazda jst dostatczni ciężka odbita fala zapadająca się powoduj wybuch gwiazdy (Suprnowa II) M gwiazdy >1.4* M Granica Chandraskhar a

40 Suprnowa 1987A Eksprymnty Kamiokand i IMB Z rozrzutu czasu przlotu nutrin oszacowani masy m ν 20V

41 Inn zastosowania L

42 Projkt Tllra i Ulama : Pirwsza faza rozszczpini dostarcza kwantów γ. T i p wokół uranowgo opakowania rośni Druga faza ciśnini powoduj zapadani się i zapłon rakcji syntzy. Pojawiają się nutrony pochodząc z syntzy. Wraz z komprsją powodują rakcj łańcuchową w wstawc z plutonu (50% nrgii).

43 Zastosowania mdyczn: Naświtlani wiązką γ, p, 12 C,. (niszczni nipożądanj tkanki) PET (Positron Emission Tomography) (Obrazowani funcyjn) Zdjcia Rontgnowski (kamra rontgnowska) CT (Computd Tomography) (Obrazowani funkcyjn) Rzonans Magntyczny

44 Porównani dpozytu nrgii przz wiązkę ciężkich jonów i prominiowani rontgnowski.

45 Positron Emission Tomography

46 Zdjęcia Rontgnowski Źródło γ Pacjnt Dtktory γ

47 Źródłm γ mogą być matriały prominiotwórcz Produkcja radiofarmacutyków rozpoczła się w ŚLCJ UW J Nakłady na produkcj dtktorów γ dla potrzb mdycznych są bardzo duż L

48 Zasada działamia tomografi komputrowj Dtktory X pacjnt Źródło X

49 Zasada rzonansu magntyczngo: B + B rf B B rf Włączamy stal pol B, to powoduj polaryzacj protonów tkank Zminiamy kirunk polaryzacji poprzz włączni pola B rf Wyłączamy pol B rf Rjstrujmy prominiowani związan z przjścim do stanu polaryzacji wymuszonj polm B Tmpo powrotu zalży od rodzaju tkanki