Elementy fizyki jądrowej

Transkrypt

1 Elementy fizyki jądrowej

2 Cząstka elementarna Fermiony (cząstki materii) -leptony: elektron, neutrino elektronowe, mion, neutrino mionowe, taon, neutrino taonowe -kwarki: kwark dolny, kwark górny, kwark powabny, kwark dziwny, kwark szczytowy, kwark spodni Antycząstki fermionów to: pozyton, antyneutrino elektronowe, mion dodatni, antyneutrino mionowe, taon dodatni, antyneutrino taonowe, antykwark górny, antykwark dolny, antykwark powabny, antykwark dziwny, antykwark wysoki, antykwark niski

3 Kwarki i antykwarki nie występują w stanie wolnym. Zawsze łączą się tworząc inne cząstki. Kwark z antykwarkiem łączą się tworząc mezon. Kwarki charakteryzują się kolorem a antykwarki antykolorem. Kolor i antykolor znoszą się wzajemnie dając w wyniku kolor czarny czyli brak koloru. Kwarki łącząc się ze sobą tworzą bariony.

4 Bozony (2, cząstki promieniowania, odpowiedzialne za przenoszenie oddziaływań) 8 gluonów (cząstki obojętne elektrycznie o masie spoczynkowej równej obdarzone jednocześnie kolorem i antykolorem 3 bozony pośredniczące (2 wuony, zeton)odpowiedzialne za przenoszenie oddziaływań słabych foton

5 Historia rozwoju fizyki jądrowej: promieniotwórczość naturalna (H. Becquerel) odkrycie polonu i radu (M. Skłodowska - Curie i P. Curie). 9 - odkrycie istnienie jądra atomowego przez Rutherforda odkrycie izotopów pierwiastków (Thomson) wywołanie sztucznej reakcji jądrowej (Rutherford) odkrycie neutronu (Chadwick) sztuczna promieniotwórczość (I. i F. Joliot-Curie) E. Fermi zbudował pierwszy stos uranowy (reaktor jądrowy).

6 Podstawowe własności nukleonów: proton: q = e =.6-9 C (ładunek elementarny), m p = kg. neutron: q =, m n = kg. (m p m n ) elektron: e = C (ładunek elementarny), m e = kg. (m p m n = 86,m e ). Ładunek jądra Q jest równy Q = Z e gdzie: Z liczba protonów w jądrze (liczba porządkowa pierwiastka w układzie okresowym). W przeciętnym atomie, masa jądra jest około 4 razy większa od masy jego elektronów. Liniowe rozmiary jądra stanowią -5 część rozmiarów całego atomu. Liczbą masową A nazywamy sumę protonów Z i neutronów N w jądrze, A = Z + N oznaczenie jądra atomowego: A Z X

7 Izotopy są to jądra o tej samej liczbie porządkowej Z, ale różnej liczbie masowej A (ta sama liczba protonów lecz różna neutronów) Przykład (izotopy wodoru): H - wodór, Z =, N = ; 2 D - deuter, Z =, N = ; 3 Tr - tryt, Z =, N = 2. D 2 O ciężka woda.

8 Energia wiązania jądra Jądra składające się z nukleonów, mają masy mniejsze niż sumy mas ich elementów składowych. m p masa swobodnego protonu, m n masa swobodnego neutronu, m j masa jądra zawierającego A = Z+N nukleonów, Zm p + Nm n (Z+N)m j = m > m nazywa się defektem masy. Energia wiązania jądra E w jest dana wzorem Einsteina postaci E w m c 2

9 Dla jąder lekkich (A<ok. 2) energia wiązania (na jeden nukleon) silnie zależy od składu jądra. Dla jąder cięższych stopniowo rośnie, osiąga maksimum 8.8 MeV w pobliżu 63 Cu, następnie wolno maleje, osiągając wartość ok. 7.6 MeV dla 238 U. Energia wiązania przypadająca na jeden nukleon w funkcji liczby masowej A

10 Promieniotwórczość naturalna Naturalne pierwiastki promieniotwórcze emitują trzy rodzaje promieniowania: jądro helu 2 protony i 2 neutrony, 4 He elektron -,. pozytron +, fala elektromagnetyczna. Schematy przemian, i : A Z A Z A Z X X X 4 2 A4 Z 2 A Z A Z Y Q (energia Y Q (energia X, A Z X przemiany), przemiany), stan wzbudzony.

11 Prawo rozpadu promieniotwórczego Fakty doświadczalne: Pewne jądra ulegają samorzutnemu rozpadowi. Liczba jąder ulegająca rozpadowi maleje z biegiem czasu. W równych odstępach czasu liczba jąder maleje tę samą ilość razy. Określenie: Czas T, po którym liczba jąder maleje o połowę nazywa się czasem połowicznego zaniku (czas połowicznego rozpadu). Prawo rozpadu promieniotwórczego: Określa zmianę w czasie liczby jąder ulegających rozpadowi. Proces samorzutnego rozpadu jąder jest procesem statystycznym. Zakładamy, że prawdopodobieństwo rozpadu na jednostkę czasu jest wielkością stałą.

12 N(t) N e t - stała rozpadu. Wzór określa liczbę jąder, które przeżyły czas t. Liczba jąder N, które się w tym czasie rozpadły będzie równa N N N N N e t N ( e t ) Dla t = T N = /2N T ln2

13 Dla naturalnych pierwiastków promieniotwórczych ich czas połowicznego zaniku T jest zawarty w bardzo szerokim przedziale: -7 s T 5 lat. Średni czas życia pojedynczego jądra : T ln2.44t

14 Aktywność promieniotwórcza Liczbę rozpadów a danej substancji promieniotwórczej w jednostce czasu nazywamy aktywnością. a dn(t) dt N(t) N e t Jednostki: Bq (bekerel) układ jednostek SI. Bq rozpad/sekundę. (jednostka b. mała, np. g radu ma aktywność 37 GBq G= 9 ). Ci (kiur) 3.7 s - (jednostka duża). mci = -3 Ci, Ci = -6 Ci.

15 Rodziny promieniotwórcze Występujące w przyrodzie naturalne pierwiastki promieniotwórcze tworzą cztery rodziny (szeregi) promieniotwórcze Każdy człon szeregu jest potomkiem innego członka rodziny powstałym wskutek rozpadu lub. Liczbę masową danej rodziny można zapisać wzorem Rodziny promieniotwórcze: Torowa (A=4n), Neptunowa (A=4n+), Uranowa (A=4n+2), Aktynowa (A=4n+3), A = 4n+m (m i n liczby całkowite) Th 28 Pb. 82 Np 29 Bi. U 26 Pb U 27 Pb. 82

16 Zastosowanie promieniotwórczości naturalnej Prawo rozpadu promieniotwórczego służy jako zegar w geologii, gdyż po przekształceniach otrzymamy Przykład : N ln N t Oblicz wiek skał zawierających rudę uranu. Jeżeli w badanej próbce określimy zawartość atomów uranu (N u ) oraz liczbę powstałych z rozpadu uranu atomów ołowiu atomów ołowiu (N Pb ), to N =N u +N Pb będzie początkową liczba atomów uranu t N ln N N Pb U U

17 Przykład Wyznacz średni wiek Ziemi wiedząc, że: 238 U U w chwili powstania Ziemi; 238 U/ 235 U obecnie U T = lat, 235 U T 2 = 7 8 lat, N N e t ln 2 ln 2 ( ) t T T e )t ( 2 e 2 2 N N e t t5 9 lat.

18 Reakcje jądrowe Reakcja jądrowaproces, podczas którego jądro atomowe przekształca się w jądro o innej liczbie masowej i innej liczbie porządkowej; reakcje jądrowe wywołuje oddziaływanie jąder z innymi jądrami (cząstkami). Ogólny schemat zapisu: A Z A A3 A4 X 2 a Y Z2 Z3 b Q Zapis skrócony: X (a,b) Y X jądro tarcza (jądro bombardowane); a jądro (cząstka) bombardująca i wywołująca reakcję; Y jądro końcowe; b jądro (cząstka) powstała w wyniku reakcji; Q energia reakcji. Między indeksami górnymi a dolnymi zachodzą następujące związki: A +A 2 =A 3 +A 4 (zasada zachowania masy), Z +Z 2 =Z 3 +Z 4 (zasada zach. ładunku). Przykład: (Rutheford 99) N 2He 8OH Z4

19 Ogólny podział reakcji jądrowych: Q > reakcja egzoenergetyczna (energia wydziela się podczas reakcji); Q < reakcja endoenergetyczna (więcej energii zużywa się niż się wydziela) energia progowa energia potrzebna do wywołania reakcji. Zasada zachowania energii: (M +m 2 )c 2 =(M 3 +m 4 )c 2 +Q gdzie: M masa jądra X; m 2 masa jądra (cząstki) a; M 3 masa jądra Y; m 4 masa jądra (cząstki) b; Q energia reakcji.

20 Sztuczna promieniotwórczość I. Joliot Curie, F. Joliot (934). Typ badanej reakcji (jądra lekkie np. Al, B). X(,n)Y, X(,p)YX i Y Wynik doświadczenia: Substancje bombardowane promieniują nawet po usunięciu źródła cząstek. Natężenie tego promieniowania zanika w czasie eksponencjalnie, podobnie jak dla promieniowania naturalnego (można więc zmierzyć czasy połowicznego zaniku). Interpretacja efektu: I etap reakcji: Al P n II etap reakcji: ( 3 Prozpada się samorzutnie; T =. min.) P4Si

21 Przemiana beta Widmo energetyczne promieniowania beta: a) -, b) +. Wnioski: Widma emitowanych cząstek - i + są ciągłe i są zawarte pomiędzy energią zerową i pewną maksymalną; Fakt ten jest sprzeczny z zasadą zachowania energii. W procesie rozpadu beta powstaje trzecia cząstka nazwana (Fermi - mała, neutralna ) neutrinem. Rozpad beta zachodzi wg schematu; : n p ~ (antyneutrino) : p n (neutrino)

22 Neutrino Neutrino ma ładunek elektryczny i masę spoczynkową równą ; Własności antyneutrina są bardzo zbliżone do własności neutrina; Neutrino i antyneutrino bardzo słabo oddziałują z materią, co stwarza ogromne trudności doświadczalne stwierdzenia ich istnienie; Neutrino odkryto doświadczalnie (956 Los Alamos) w reakcji ~ p n

23 Własności neutronu Neutron odkrył Chadwick (932), który badał reakcję typu: 9 4 4Be 2 n Swobodny neutron jest cząstką nietrwałą, o czasie połowicznego zaniku T = 2.8 min. Ulega rozpadowi wg schematu ev = J, MeV= 6 ev, GeV= 9 ev Podział neutronów ze względu na ich energie: termiczne, o energii rzędu.25ev (v=22m/s), powolne, o energii od ev dokev, pośrednie, od kev do.5mev, prędkie, >.5MeV. 2 6 C n p e ~.783MeV

24 Reakcje rozszczepienia jąder ciężkich Reakcje rozszczepienia można zapisać schematycznie w postaci A Z R n A Z A 2 X Z Y k 2 n +(inne cząstki)+q gdzie: A - jądro ciężkie, np. 238 U, 235 U, 239 Pu, Z A Z R A X, 2 Y Z2 k - dwa dowolne produkty rozpadu, - liczba powstałych neutronów, Q wydzielona w reakcji energia. Rys. Stadia procesu rozszczepienia jądra wg modelu kroplowego

25 Deformacja jądra (zmiana symetrii kulistej) wymaga dostarczenia energii. Energię może dostarczać neutron przenikając do wnętrza jądra. Energię, jakiej należy dostarczyć jądru, aby mogło ulec rozszczepieniu nazywa się energia progową rozszczepienia lub energią aktywacji.

26 Reakcje syntezy jąder lekkich Masa spoczynkowa dwóch lekkich jąder jest z reguły większa niż masa spoczynkowa jądra powstającego po ich połączeniu (syntezie) tzn. w wyniku syntezy musi wydzielić się energia odpowiadająca różnicy tych mas. Przykładami reakcji syntezy są prawdopodobne reakcje syntezy izotopów wodoru, np.: H H H H H H H He He H 4.4 MeV, n 7.6 MeV, p 8.3 MeV. 2 H deuter można otrzymać przez elektrolizę ciężkiej wody, uzyskiwanej z elektrolizy zwykłej wody; 3 H tryt otrzymuje się w reaktorach podczas reakcji Lin2He H Wniosek: Reakcje syntezy izotopów wodoru są źródłem potężnej energii.

27 Ze względu na odpychanie kulombowskie jąder biorących udział w syntezie, warunkiem zajścia tych reakcji jest odpowiednio duża energia kinetyczna jąder. Temperatura odpowiadająca tej energii kinetycznej wynosi ok. 8 9 K!. Materia w tak wysokiej temperaturze nazywana jest plazmą. Procesy łączenia jąder atomowych, które zachodzą na skutek ruchów termicznych w bardzo wysokich temperaturach, nazywamy reakcjami termojądrowymi. Niekontrolowane reakcje termojadrowe W warunkach ziemskich reakcje syntezy jądrowej zostały przeprowadzone jedynie w niekontrolowanych reakcjach - w postaci broni termojądrowej. Kontrolowane reakcje termojądrowe Główną trudnością zrealizowania kontrolowanej reakcji termojądrowej jest: Wytworzenie temperatury rzędu setek milionów stopni. Niedopuszczenie do zetknięcia się plazmy ze ściankami komory reaktora.

28 Energia jądrowa w gwiazdach Reakcje termojądrowe mają warunki do zachodzenia (odpowiednia temperatura) we wnętrzu gwiazd (np. Słońca) i są potężnymi źródłami energii promienistej. Własności gwiazd (zwykłych) są następujące: Gęstość materii w gwiazdach zwykłych waha się od. do gęstości Słońca. Gęstość Słońca wynosi.39 g/cm 3. Efektywna temperatura powierzchni gwiazd zwykłych leży w granicach od 2 K do 5 K (6 K dla Słońca). Temperatura wnętrza gwiazd zwykłych jest rzędu 7 K. Moc promieniowania Słońca nie zmieniła się w ciągu milionów lat. Ok. 9% masy Słońca składa się z H i He. Wniosek: Energia słoneczna może jedynie pochodzić z syntezy pierwiastków lekkich.

29 Cykl weglowy Bethego We wnętrzu gwiazd węgiel ulega ciągłej regeneracji w tzw. cyklu Bethego, który przedstawia się następująco: 2 3 CH 4N N 7 6C 3 6 C 4 7 N H 4 7 H 5 8O 7N N O 2 7 NH 6C H MeV

30 Energetyka jądrowa Źródła energii jądrowej to: Reakcje syntezy jąder lekkich. Reakcje rozszczepienia jąder ciężkich. Własność Synteza Rozszczepienie Wyzwalana energia.7 MeV/nukleon -3.2 MeV/nukleon Zasoby paliwa Z wód oceanów. t. Duże zapasy rudy. wody morskiej Trudno wydzielić odpowiada 2 ton żądany izotop. t. węgla. granitu ok. 5 t. węgla. Odpady Brak, albo odpady Trudny problem. łatwe do kontroli. Źródła energii jądrowej i ich podstawowa charakterystyka Przykład liczbowy: g węgla spalanie ok. 36 kj g uranu reakcja jądrowa ok. 86 GJ kg uranu 3 ton węgla

31 Reakcja łańcuchowa Un42Mo 54Xe2n 4 Q 235 W procesie rozszczepienia jądra powstaje przeciętnie 2.5 (oszacowanie teoretyczne) nowych neutronów, które z kolei mogą wywołać dalsze rozszczepienia. Proces taki nazywamy reakcją łańcuchową. Reakcje łańcuchowe. (a) Niekontrolowana zasada działania bomby jądrowej. (b) Kontrolowana zasada działania reaktora jądrowego

32 Przebieg reakcji łańcuchowej w reaktorze jądrowym