w elektroenergetyce Energia jądrowa Podstawy fizyczne energii jądrowej Stefan Taczanowski Akademia Górniczo-Hutnicza Wydział Energetyki i Paliw

Podobne dokumenty
Początek XX wieku. Dualizm korpuskularno - falowy

Fizyka kwantowa. promieniowanie termiczne zjawisko fotoelektryczne. efekt Comptona dualizm korpuskularno-falowy. kwantyzacja światła

Efekt Comptona. Efektem Comptona nazywamy zmianę długości fali elektromagnetycznej w wyniku rozpraszania jej na swobodnych elektronach

Kwantowe własności promieniowania, ciało doskonale czarne, zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne.

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

Kwantowa natura promieniowania

Foton, kwant światła. w klasycznym opisie świata, światło jest falą sinusoidalną o częstości n równej: c gdzie: c prędkość światła, długość fali św.

Falowa natura materii

Światło fala, czy strumień cząstek?

Podstawowe własności jąder atomowych

Ciało doskonale czarne absorbuje całkowicie padające promieniowanie. Parametry promieniowania ciała doskonale czarnego zależą tylko jego temperatury.

ZJAWISKA KWANTOWO-OPTYCZNE

A - liczba nukleonów w jądrze (protonów i neutronów razem) Z liczba protonów A-Z liczba neutronów

r. akad. 2012/2013 Wykład IX-X Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich Fizyka jądrowa Zakład Biofizyki 1

41P6 POWTÓRKA FIKCYJNY EGZAMIN MATURALNYZ FIZYKI I ASTRONOMII - V POZIOM PODSTAWOWY

Podstawy fizyki kwantowej

Wykład FIZYKA II. 11. Optyka kwantowa. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

PODSTAWY MECHANIKI KWANTOWEJ

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

PODSTAWY MECHANIKI KWANTOWEJ

Elementy Fizyki Jądrowej. Wykład 8 Rozszczepienie jąder i fizyka neutronów

Promieniowanie jonizujące

Promieniotwórczość naturalna. Jądro atomu i jego budowa.

Promieniowanie jonizujące i metody radioizotopowe. dr Marcin Lipowczan

Promieniowanie jonizujące

CHEMIA LEKCJA 1. Budowa atomu, Izotopy Promieniotwórczość naturalna i sztuczna. Model atomu Bohra

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

Chemia ogólna - część I: Atomy i cząsteczki

Reakcje jądrowe. X 1 + X 2 Y 1 + Y b 1 + b 2

Fizyka 2. Janusz Andrzejewski

Fizyka jądrowa. Podstawowe pojęcia. Izotopy. budowa jądra atomowego przemiany promieniotwórcze reakcje jądrowe. jądra atomowe (nuklidy) dzielimy na:

I. PROMIENIOWANIE CIEPLNE

Fizyka 3.3 WYKŁAD II

Promieniowanie X. Jak powstaje promieniowanie rentgenowskie Budowa lampy rentgenowskiej Widmo ciągłe i charakterystyczne promieniowania X

Odkrycie jądra atomowego - doświadczenie Rutherforda 1909 r.

Podstawy fizyki kwantowej. Nikt nie rozumie fizyki kwantowej R. Feynman, laureat Nobla z fizyki

39 DUALIZM KORPUSKULARNO FALOWY.

Autorzy: Zbigniew Kąkol, Piotr Morawski

pobrano z serwisu Fizyka Dla Każdego - - zadania z fizyki, wzory fizyczne, fizyka matura

III. EFEKT COMPTONA (1923)

Opracowała: mgr Agata Wiśniewska PRZYKŁADOWE SPRAWDZIANY WIADOMOŚCI l UMIEJĘTNOŚCI Współczesny model budowy atomu (wersja A)

FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych

Wykład 18: Elementy fizyki współczesnej -1

VII. CZĄSTKI I FALE VII.1. POSTULAT DE BROGLIE'A (1924) De Broglie wysunął postulat fal materii tzn. małym cząstkom przypisał fale.

Podstawy fizyki kwantowej

Falowa natura materii

Podstawy fizyki subatomowej. 3 kwietnia 2019 r.

Podstawy fizyki kwantowej i budowy materii

Podstawy fizyki kwantowej

OCHRONA RADIOLOGICZNA PACJENTA. Promieniotwórczość

Oddziaływanie cząstek z materią

Zasada nieoznaczoności Heisenberga. Konsekwencją tego, Ŝe cząstki mikroświata mają takŝe własności falowe jest:

W2. Struktura jądra atomowego

Reakcje jądrowe. kanał wyjściowy

Dział: 7. Światło i jego rola w przyrodzie.

Promieniowanie jonizujące

Poziom nieco zaawansowany Wykład 2

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

Rozpad alfa. albo od stanów wzbudzonych (np. po rozpadzie beta) są to tzw. długozasięgowe cząstki alfa

Reakcje rozpadu jądra atomowego

Badanie schematu rozpadu jodu 128 I

FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych

Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią

Energetyka Jądrowa. Wykład 28 lutego Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów

W-28 (Jaroszewicz) 36 slajdy Na podstawie prezentacji prof. J. Rutkowskiego. Fizyka jądrowa cz. 1. budowa jądra atomowego przemiany promieniotwórcze

Wykład 7 Kwantowe własności promieniowania

Badanie schematu rozpadu jodu 128 J

Pomiar energii wiązania deuteronu. Celem ćwiczenia jest wyznaczenie energii wiązania deuteronu

Fizyka promieniowania jonizującego. Zygmunt Szefliński

ZASADY ZALICZENIA PRZEDMIOTU MBS

Elementy Fizyki Jądrowej. Wykład 3 Promieniotwórczość naturalna

Fizyka klasyczna i kwantowa. Krótka historia fizyki.

Optyka. Wykład V Krzysztof Golec-Biernat. Fale elektromagnetyczne. Uniwersytet Rzeszowski, 8 listopada 2017

Podstawy fizyki sezon Dualizm światła i materii

Promieniowanie cieplne ciał.

2008/2009. Seweryn Kowalski IVp IF pok.424

Teorie wiązania chemicznego i podstawowe zasady mechaniki kwantowej Zjawiska, które zapowiadały nadejście nowej ery w fizyce i przybliżały

I.4 Promieniowanie rentgenowskie. Efekt Comptona. Otrzymywanie promieniowania X Pochłanianie X przez materię Efekt Comptona

Plan Zajęć. Ćwiczenia rachunkowe

Problemy fizyki początku XX wieku

Elementy fizyki jądrowej

Własności jąder w stanie podstawowym

Elementy optyki kwantowej. Ciało doskonale czarne. Teoria Wiena. Notatki. Notatki. Notatki. Notatki. dr inż. Ireneusz Owczarek

Pracownia Jądrowa. dr Urszula Majewska. Spektrometria scyntylacyjna promieniowania γ.

Promieniowanie jonizujące

FALOWA NATURA MATERII

I ,11-1, 1, C, , 1, C

Światło ma podwójną naturę:

Fizyka jądrowa. Podstawowe pojęcia

Metody analizy pierwiastków z zastosowaniem wtórnego promieniowania rentgenowskiego. XRF, SRIXE, PIXE, SEM (EPMA)

ODKRYCIE PROMIENIOTWÓRCZOŚCI PROMIENIOWANIE JĄDROWE I JEGO WŁAŚCIWOŚCI

autor: Włodzimierz Wolczyński rozwiązywał (a)... ARKUSIK 40 FIZYKA JĄDROWA

Tak określił mechanikę kwantową laureat nagrody Nobla Ryszard Feynman ( ) mechanika kwantowa opisuje naturę w sposób prawdziwy, jako absurd.

Promieniowanie jonizujące

FALE MATERII. De Broglie, na podstawie analogii optycznych, w roku 1924 wysunął hipotezę, że

Podstawy fizyki kwantowej

WŁASNOŚCI CIAŁ STAŁYCH I CIECZY

Efekt fotoelektryczny. 18 października 2017

Fizyka współczesna Co zazwyczaj obejmuje fizyka współczesna (modern physics)

Modele atomu wodoru. Modele atomu wodoru Thomson'a Rutherford'a Bohr'a

Transkrypt:

Energia jądrowa w elektroenergetyce Studia Podyplomowe 009/010 Stefan Taczanowski Wydział Energetyki i Paliw Akademia Górniczo-Hutnicza Podstawy fizyczne energii jądrowej Elementy fizyki współczesnej

Problemy fizyki klasycznej nierozwiązane na gruncie jej praw Promieniowanie termiczne ciał prawo Stefana - Boltzmanna: (dla ciała doskonale czarnego) moc promieniowania cieplnego (z jednostki powierzchni ciała o temperaturze T) P c = σt 4 σ stała Stefana-Boltzmanna model ciała doskonale czarnego: wnęka z małym otworem Widmo promieniowania cieplnego Teoria klasyczna była sprzeczna doświadczeniem P'(λ) [W/cm µm] wg Rayleigh a -Jeans a λ [µm]

Widmo promieniowania termicznego ciał Przykład zmierzonego widma wg. wzoru, Rayleigh a Jeans a (fizyki klasycznej): fotonów o takiej (energii) długości fali praktycznie juŝ nie ma wg. Planck'a (fizyka kwantowa) Początek teorii kwantów λ 0 pole pod krzywą czyli W "katastrofa ultrafioletowa!" Postulaty Plancka (1900): Max Planck 1858-1947 Niemcy E = h ν = h c/λ 1)* Najmniejsza emitowana ilość energii nie jest równa 0! jest nią kwant energii E = h ν h - stała Plancka h = 6.6 10-34 J s ) MoŜliwa jest emisja tylko całkowitej wielokrotności h ν zatem dla ν λ 0 lim E = ν λ 0 energia fotonu zmierza do nieskończoności! * Planck nie postulował zachowania kwantowej natury fali elektromagnetycznej tj. fotonu po emisji! Zjawisko fotoelektryczne Efekt polegający na przepływie prądu pod wpływem światła padającego na katodę lampy próŝniowej katoda -U 0 światło okno kwarcowe NiezaleŜność ujemnego napięcia U 0 zatrzymującego elektrony od natęŝenia światła była niezrozumiała

Zjawisko fotoelektryczne cd. Stosując światło o róŝnych barwach tj. częstościach ν stwierdzono, Ŝe energia wybijanego elektronu E max zaleŝy od nich. E max = hν W dla hν < hν 0 nie ma prądu! W - praca wyjścia elektronu róŝna dla róŝnych metali: W co na bazie teorii falowej jest niezrozumiałe Bo fala o dostatecznie duŝym natęŝeniu powinna wybijać elektrony bez względu na barwę = hν 0 Einstein (1905): światło to strumień kwantów paczek energii (elektromagnetycznej) hν = W + E max tj. Einstein zapostulował zachowanie kwantowej natury fotonu po emisji! Motto: Mogę chyba bezpiecznie stwierdzić, Ŝe nikt nie rozumie mechaniki kwantowej. Richard Feynman Fale materii Dwoistość własności światła: fala - kwant (cząstka) nasunęła wniosek, Ŝe odwrotnie: cząstki materii mogą mieć własności fal fale materii; (de Broglie, rozpr. doktorska, 193) Wychodząc z równania na pęd fotonu otrzymał wzór na długość fali cząstki: p hv h = = c λ h λ = p

plankton pod mikroskopem elektronowym kolory z obróbki komputerowej! Dualizm korpuskularno-falowy materii Mikroskop elektronowy Źródłem wyŝszości nad mikroskopem optycznym: znikoma długość fali de Broglie'a elektronów. kryształ SrTiO3 (jasne miejsca Sr) Komórka zaatakowana przez wirusy HIV kolory z obróbki komputerowej

Jak rozumieć falę materii? Nie naleŝy rozumieć tego jako falowania masy, ładunku, czy prawdopodobieństwa, Ŝe cząstka znajduje się w danej objętości. NajbliŜsze prawdy jest określenie, Ŝe jest to fala pierwiastka z gęstości tego prawdopodobieństwa wg Feynmana to "amplituda" prawdopodobieństwa Fale materii Rozpraszanie elektronów na kryształach Wiązka rozproszona Wiązka padająca Kryształ Rozpraszanie elektronów wykazuje charakter dyfrakcyjny - naturę falową elektronu Potwierdzenie w doświadczeniu (197): Davisson i Germer wykonali eksperyment potwierdzający tę hipotezę; odbite od powierzchni kryształu niklu elektrony dały obraz interferencyjny a obliczona długość fali - 16,5 nm dobrze zgadzała się z wartością ze wzoru de Broglie a - 16,7 nm "Ilustracja" fali materii

Zasada nieoznaczoności (Heisenberga) pakiet falowy "monochromatyczny": Ale jaka dokładnie jest długość tej fali? czy taka? x=nλ Nie! poniewaŝ jej rozciągłość czasowa i przestrzenna jest skończona! KaŜdy skończony ciąg falowy jest funkcją nieokresową, złoŝoną z nieskończonej liczby składowych harmonicznych (jak wynika z rozkładu na szereg Fouriera). Jedną długość moŝna przypisać tylko fali nieskończenie rozciągłej. Ale fala nieskończenie rozciągła wyznaczając dokładnie pęd nieskończenie rozmywa połoŝenie cząśtki pęd i połoŝenie współistnieją w stanie "rozmytym"! z dokładnością do stałej Plancka: p x h Budowa atomu WspomoŜenie wyobraźni Atomy nie "wyglądają" tak: raczej tak a tak otoczone chmurą elektronów jądro atomowe tu powiększone ~10 000 razy!

Budowa jądra atomowego Jądro składa się z nukleonów: n -neutronów (0) i p - protonów (+) Siły jądrowe (krótkozasięgowe, ale >100 razy silniejsze od elektrostatycznych) utrzymują jądro w całości pokonując odpychanie protonów A liczba masowa (liczba nukleonów) Z liczba atomowa (liczba protonów) m n m p j.m.a. A-Z = liczba neutronów Zapis A Z X Przykład: 1 1H, 38 9U Masy atomowe niektórych pierwiastków nie są wielokrotnością masy protonu! (n.p. Cl 35.5; Cu 63.5) Odkrycie izotopów! Izotopy - odmiany pierwiastka róŝniące się liczbą masową A, czyli, przy tym samym Z, róŝnią się one liczbą neutronów RównowaŜność masy i energii E = mc Całkowita energia ciała jest równa jego masie pomnoŝonej przez kwadrat prędkości światła Albert Einstein 1879-1955 KaŜda zmiana energetycznego stanu ciała (np. zmiany jego energii kinetycznej lub potencjalnej) pociąga za sobą zmianę jego masy, zwanej relatywistyczną Zmiana energii całkowitej ciała: E = mc Zatem znając zmianę m masy ciała moŝemy obliczyć np. związaną z tym wydzieloną (lub pobraną) energię E

Własności jąder atomowych Trwałość jąder atomowych wyspa stabilności (względnej) Jądra trwałe nie ulegają przemianom samorzutnym W wyniku zjawiska promieniotwórczości jądra wracają na ścieŝkę trwałości ŚcieŜka trwałości jąder produkty rozszczepienia Odkrycie naturalnej promieniotwórczości (1896) przez H.Bequerela i małŝonków Curie w rudzie uranowej (rad, polon) trzy rodzaje promieniowania: α, β, γ α - jądra He, β elektrony, γ - fotony Własności jąder atomowych cd. Energia wiązania jądra (średnia) na nukleon /krzywa doświadczalna/ E w /A [MeV] 16 O 1 C Jądra magiczne energia z rozszczepienia 4 He energia wyzwalana w procesie syntezy

0 0-1 Objaśnienie energii jądrowej na podstawie (częściowo) modelu kroplowego liczba masowa 40 80 10 160 00 40 Krzywa energii wiązania jąder atomowych A energia z syntezy - -3-4 -5-6 -7 [MeV] -8 E Synteza wzrost energii wiązania defekt masy) Fe Rozszczepienie energia z rozszczepienia Model kroplowy wyjaśnia (w przybliŝeniu) wiele podstawowych własności jąder, np.:energię wiązania reakcję rozszczepienia itp. Model kroplowy nie wyjaśnia wielu szczegółowych własności jąder, np.: poziomów energetycznych jądra RównowaŜność masy i energii Antymateria odkrycie pozytonu (1931r.) Pasma energetyczne świata (wg. Diraca) stany dozwolone stany zakazane stany dozwolone stany obserwowalne cząstki, np. elektrony m 0 c stany nieobserwowalne γ 0 energie dodatnie + m 0 c kreacja pary cząstka - antycząstka m 0 c energie ujemne

Y X X β Przemiana β α Rozpad α Własności jąder atomowych cd. Przemiany Jądrowe (samorzutne): Rozpad (przemiana) α to emisja jądra He Rozpad β jest to przemiana neutronu w proton z emisją elektronu (-) lub (+) i neutrina ν Y Y + γ Skutkiem tych przemian bywa stan wzbudzony jądra Y* zakończony emisją fotonu γ Rozpad γ Y* γ folia złota (Au) atomy są puste! /1911/ Odkrycie Jądra Atomowego Doświadczenie Rutherforda wiązka cząstek α Zapominany wniosek: rj <.5 10 14 m Rozpraszanie wstecz moŝliwe od ładunku dodatniego punktowego Stąd pierwsza ocena rozmiarów jądra: Y Y

Przemiany Jądrowe (samorzutne) prawdopodobieństwo rozpadu jest stałe w czasie! N liczba nuklidów, λ stała rozpadu [s -1 ] - prawdopodobieństwo rozpadu w jednostce czasu. A = λ N N = N 0 exp ( λt) T 1 = ln λ Własności jąder atomowych cd. = Aktywność: A = liczba rozpadów/s [Bq] = 1 bekerel = 1/s jed. tradycyjna: 1 Ci (~aktywność ca. 1g Ra) =3.7 10 10 /s 0.693 λ Zjawisko promieniotwórczości naturalnej, n.p: Zmiana liczby nuklidów lub aktywności w czasie N 0 =N(0) czas połowicznego rozpadu 40 K, T 1/ = 1.3 10 9 lat, E γ = 1.46 MeV, E β = 1.3 MeV Zaw. K /w tym 0.01% 40 K/ w skorupie Ziemi.5% wag. Przeciętne aktywności radioizotopów w ciele ludzkim [Bq]: 3 H 14 C 40 K 0 Rn Rn 3 Th 38 U 0 3800 4500 30 15 0.1 4 Uwaga! τ t Jesteśmy wszyscy niskoaktywnym odpadem promieniotwórczym! 1 N 1/ 1/4 0 T 1/ 1 = τ λ τ -średni czas Ŝycia (podstyczna) Prawdopodobieństwo oddziaływań w mikroświecie Miara prawdopodobieństwa reakcji - Przekrój czynny R 1 +R R R R 1 R 1 Przekrój czynny reakcji (całkowity): 1) mikroskopowy (pole powierzchni) σ = π ( R + R ) 1 Na całkowity przekrój czynny składają się wszystkie moŝliwe reakcje: rozpraszanie, absorpcja, produkcja cząstek wtórnych itp. Jednostka przekroju czynnego: barn 1 barn = 10-4 cm

Oddziaływania promieniowania jonizującego: γ Efekt fotoelektryczny E = hν E e hν w E e Jest to oddziaływanie fotonów z elektronami związanymi tj. hν E w < ~E w (en. wiązania) Jest to oddziaływanie oznaczające zniknięcie fotonu Rozpraszanie fotonów (Efekt Comptona) hν - e γ ϕ hν Jest to rozproszanie fotonów na elektronach swobodnych tj. E w << hν Kwant γ zderzając się spręŝyście z elektronem przekazuje mu część energii i pędu Nie znika! Oddziaływania promieniowania γ cd. Tworzenie par elektron - pozyton hν jądro - e + e Efekt zachodzi w pobliŝu jąder warunek energetyczny: E γ > m e c = 1.0 MeV Nieodłączne następstwo tworzenia par: anihilacja pozytonu z powstaniem fotonów o hν = 0.511 MeV (masa spoczynkowa elektronu) Anihilacja pozytonu (zachodzi przy pomijalnych wartościach jego pędu) γ E γ = 0.511 MeV + e γ - e chmura elektronowa

σ Oddziaływanie fotonów (wysokoenergetycznych) ZaleŜność sumarycznego przekroju czynnego np. Pb pochłaniania fotonów γ od ich energii sumaryczny Przykłady reakcji jądrowych: + Oddziaływanie cząstek z jądrami prowadzi do wymuszonych przemian jąder - reakcji jądrowych; = + Przykłady reakcji z produkcją: + E lub przy innym sposobie zapisu: Reakcje jądrowe energii i neutronów gł. neutronów nuklidów promieniotwórczych (aktywacja) gdzie: energia wydzielona w reakcji a, b n, p, α, γ i in. X(a,b)Y 3 4 1 1 H+ 1H He+ 0n + 17.6MeV 9 4 1 4 Be+ He 6C+ 109 47 1 0 110 47 1 0 n 0 0 Ag+ n Ag+ γ

σ (E) [b] 10 4 10 3 10 Reakcje jądrowecd. ZaleŜność prawdopodobieństwa reakcji rozszczepienia od energii neutronu Najczęstsze odziaływanie neutronów: rozpraszanie spręŝyste n E 1 A E Φ n 10 1 10-10 -1 10 0 10 1 [ev] 10 10 E 3 10 4 10 5 10 6 10 7 Taki kształt przekroju czynnego reakcji rozszczepienia tłumaczy potrzebę spowalniania neutronów w reaktorach jądrowych, poniewaŝ wtedy: szansa rozszczepień rośnie, ucieczek neutronów maleje. E E1 śr A A+ zatem dla wodoru: A=1 (E /E 1 ) śr 1/3 0.37 (dokł.) Stąd: najskuteczniejsze spowalnianie neutronów - rozpraszanie na protonach czyli - najlepszym moderatorem - zwykła woda!. A Reakcja rozszczepienia (własności) Reakcje jądrowe cd. Poglądowy przebieg rozszczepienia wg modelu kroplowego neutron pochłonięcie neutronu kolejne fazy deformacji jądra-kropli czas (do) podziału ~10-14 s podział na dwa fragmenty Jądro rozszczepialne stan podstawowy Jądro złoŝone stan wzbudzony czas ~10-14 s rzeczywisty podział jądra jest gł. niesymetryczny z emisją neutronów po ~10-16 s i fotonów po ~10-1 s natychmiastowych Przykład reakcji rozszczepienia: 35 U+ n A Z X X X+ A Z Y Y Y +.5n + Q Q = 00 MeV

Reakcja rozszczepienia (własności) En. kinetyczna fragmentów Reakcje jądrowe cd. ~ 160 MeV En. neutronów natychmiastow. ~ 5 MeV + 8 MeV en. wiąz. n. En. natychmiastowych fotonów ~ 5 MeV En. rozpadów γ prod. rozszcz. ~ 10 MeV En. rozpadów β prod. rozszcz. ~ 10 MeV ~ ν Składowe energii rozszczepienia En. neutrin e ~ 10 MeV Suma ~ 00 MeV (bez neutrin) liczba neutronów ν =.5 Ok. 10% energii pojawia się z opóźnieniem jako tzw. ciepło powyłączeniowe Zjawisko neutronów opóźnionych (β - frakcja neutronów opóźnionych) β( 35 U) ~ 0.65% β( 39 Pu) ~ 0.5% Opóźnienie średnie: ok. 0 sekund Takie opóźnienie daje moŝliwość sterowania reaktora jemu zawdzięczamy istnienie energetyki jądrowej