Fizyka współczesna. Jądro atomowe podstawy Odkrycie jądra atomowego: 1911, Rutherford Rozpraszanie cząstek alfa na cienkich warstwach metalu

Transkrypt

1 Odkrycie jądra atomowego: 9, Rutherford Rozpraszanie cząstek alfa na cienkich warstwach metalu Tor ruchu rozproszonych cząstek (fakt, że część cząstek rozprasza się pod bardzo dużym kątem) wskazuje na to, że ładunek dodatni atomu jest skupiony w bardzo niewielkim obszarze. Znano już promieniotwórczość (np M. Skłodowska-Curie)

2 Skład atomu: Elektrony Masa me = 9, 0-3 kg, odpowiada energii 0,5 MeV ( ev =,6 0-9 J) ładunek qe = -e = -,6 0-9 kg Protony Masa mp =, kg = 836,2 me, (energia 938,27 MeV) ładunek pe = +e Neutrony Masa mn =, kg = 838,7 me, (energia 939,57 MeV) mn - mp = 2,5 me ładunek qn = 0 ν Niestabilne, czas życia ok. 03 s, rozpad na proton, elektron i antyneutrino n p+e+~

3 Terminologia jądra atomowego Jądra składają się z nukleonów protonów i neutronów Liczby charakteryzujące jądro: Z liczba atomowa, liczba protonów, ładunek jądra A liczba masowa, liczba nukleonów N liczba neutronów, N = A Z Oznaczenie jądra (dla przykładowego pierwiastka X): A Z X Izotopy jądra o tej samej liczbie Z Izotopy wodoru: prot, deuter, tryt; H, 2 H, 3 H Izotopy tlenu: 6 8 O, 7 8 O, 8 8 O Wielkość jądra (przy przybliżeniu, że jest kulą): r=,2 A /3 0 5 m

4 Liczba protonów a neutronów Znanych jest ok nuklidów, z czego tylko ok. 300 jest trwałych. Jądra o Z > nie istnieją w przyrodzie, otrzymane sztucznie

5 Procesy promieniotwórcze: Rozpad a Rozpad b Wychwyt elektronu Emisja protonu β W N p A Z n Emisja neutronu Emisja g Spontaniczny podział jądra Promieniotwórczość sztuczna (na X β α Z drodze reakcji jądrowych) Czas połowicznego zaniku, T czas, po którym rozpadnie się połowa jąder Od 0-7s do 05 lat N (t)=n 0 e λ t, λ= ln 2 T (np. datowanie próbek)

6 Siły jądrowe własności: Oddziaływania silne (najsilniejsze wśród oddziaływań podstawowych) Nośniki oddziaływania gluony (tak samo wewnątrz protonu czy neutronu) Utrzymują jądro w całości, przeciwdziałają siłom kulombowskim Krótkozasięgowe siły przyciągające, zasięg rzędu 0-5 m poniżej 0-5 m - odpychanie, nukleony nie mogą być zbyt blisko siebie Niezależność ładunkowa, oddziaływania n-n, p-n, p-p siły takie same Zależność od spinu, spiny mogą równoległe lub antyrównoległe Niecentralność nie działają wzdłuż odcinka łączącego dwa nukleony Wysycanie nukleon oddziaływuje tylko z najbliższymi sąsiadami

7 Masa spoczynkowa M jądra jest mniejsza niż suma mas jego nukleonów! Defekt masy: Δ M =( Zm p +Nmn ) M Energia spoczynkowa jądra Mc2 jest mniejsza niż suma energii spoczynkowych jego nukleonów. Energia wiązania: Δ E w =( Zm p +Nmn ) c 2 Mc2 Energia, którą musielibyśmy dostarczyć, aby podzielić jądro na nukleony. Miara trwałości jądra. Energia wiązania przypadająca na jeden nukleon: Δ Ew Δ E wn = A Zależność tej wielkości od A pozwala wnioskować o opłacalności energetycznej procesów syntezy lub rozszczepienia.

8 Energia wiązania przypadająca na nukleon Ta zależność jest punktem wyjścia do analizy bilansu reakcji syntezy i rozszczepienia.

9 Przykładowe reakcje, energie energia wiązania końcowa energia wiązania początkowa = = energia uzyskana z reakcji Korzystne jest uzyskiwanie jąder o większej energii wiązania na nukleon. Przybliżona energia wiązania na jeden nukleon: 2 3 H, MeV Reakcja syntezy: H, 3 MeV He 7 MeV H + 3 H 42 He + 0n Ile energii zyskamy? (Energia ta będzie energią kinetyczną produktów) Ile zyskanej energii przypada na jeden nukleon?

10 Reakcje syntezy termojądrowej w gwiazdach, cykl protonowy 4 H +2 0 e 42 He +2 ν +6 γ Razem: ok. 26,7 MeV (z czego ok. 0,5 MeV zabierają neutrina) Dalsze etapy powstają cięższe jądra, lit, beryl, bor Dlaczego takie reakcje są trudno osiągalne w warunkach ziemskich?

11 Reakcje rozszczepienia ciężkich jąder Energie wiązania na jeden nukleon w przypadku jąder o dużych A są mniejsze, niż dla jąder o średnich A. Ciężkie jądra są mniej lub bardziej podatne na procesy promieniotwórcze (np. b) i rozszczepienie. Rozszczepienie zazwyczaj jest zainicjowane pochłonięciem neutronu o odpowiedniej energii Niektóre jądra (uran 235, pluton 239) rozszczepią się w wyniku absorpcji neutronu o niewielkiej energii takie są najwygodniejsze dla zastosowań Inne (uran 238) wymagają neutronów o bardzo dużej energii Jeśli energia neutronu jest za mała, mogą zajść przemiany promieniotwórcze U + 0n 239 U Np Pu

12 Reakcje rozszczepienia ciężkich jąder: uran 235 U Przykładowe reakcje rozszczepienia U + 0n 40 Cs + Rb n U + 0n 40 Xe + Sr n Wiele możliwych par produktów, asymetria Powstające neutrony po spowolnieniu (np. w wodzie) mogą inicjować kolejne procesy rozszczepienia reakcje łańcuchowe Powstające jądra są niestabilne, promieniotwórcze (problem ze składowaniem odpadów), w reakcjach syntezy odpady są czyste

13 Reakcje rozszczepienia ciężkich jąder: uran 235 U Energia pozyskana w wyniku rozszczepienia U + 0n 40 Cs + Rb n U + 0 n 40 Xe + Sr n Energia wiązania na jeden nukleon: Uran: ok. 7,6 MeV Produkty: ok. 8,5 MeV 234 8,5 MeV 235 7,6 MeV = ok. 200 MeV Ile energii można pozyskać z g uranu? Ile energii wydziela się podczas utleniania atomu węgla?

14 kontrolowana reakcja łańcuchowa elektrownia Reaktor wodny ciśnieniowy. Woda jednocześnie moderator i chłodziwo. Istnieje wiele typów reaktorów. Na świecie ok. 450 reaktorów. Produkują ok. 5 % energii elektrycznej.

15 niekontrolowana reakcja łańcuchowa bomba