Základy jadrovej fyziky

Základy jadrovej fyziky
 
Úvod
Prečo práve „základy jadrovej fyziky“? Dlho som nevedel akú tému si zvoliť pre môj primárny projekt. Pri postupnom čítaní z možných tém som ale narazil na poslednú. Základy jadrovej fyziky. Pri vyslovení tohto trojslovného pomenovania mi hneď hlavou prebehli myšlienky, čo by som do toho projektu mohol dať, napríklad výbuch jadrovej elektrárne, atď. Nikdy som o jadrovej fyzike veľa nevedel, no a preto by som sa chcel takouto cestou aspoň niečo viac dozvedieť. No a keďže plánujem z fyziky aj maturovať, tak si myslím, že sa mi to určite zíde.

Touto cestou by som aj vás chcel oboznámiť s touto časťou fyziky. Podľa mňa je to veľmi zaujímavá téma, pretože jadrová fyzika je všade okolo nás. V tomto projekte sa dozviete čo to vlastne jadrová fyzika je, tiež sa dozviete dosť podstatné informácie o rádioaktivite, či už umelej alebo prirodzenej, o syntéze ľahkých a ťažkých jadier, o ich štiepení, o reťazovej reakcii a mnohých ďalších zaujímavých veciach a prístrojoch, ako je napríklad  jadrový reaktor. Dúfam, že sa vám môj projekt bude páčiť a dozviete sa mnoho prospešných informácií.

1  Jadrová fyzika
Jadrová fyzika alebo nukleárna fyzika (z lat. nucleus = jadro) je časť fyziky zaoberajúca sa javmi v jadre atómu. Jadrová fyzika pozostáva z teoretickej a experimentálnej časti. Predmetom skúmania jadrovej fyziky je jadro atómu, jeho štruktúra ako aj reakcie medzi jadrami. Popis jadrových reakcií sa robí prostredníctvom účinného prierezu. Účinný prierez predstavuje pravdepodobnosť reakcie častice s určitou energiou a jadra.
 
2  Objavenie rádioaktivity
Rádioaktívne žiarenie objavil v roku 1896 francúzsky vedec Henri Becquerel. Položil vzorku uránovej rudy smolinca na kartón, v ktorom sa nachádzali fotografické dosky.

Hoci sa do vnútra nemohlo dostať žiadne svetlo, pri vyvolávaní dosiek sa na miestach, kde bola ruda položená, objavili čierne škvrny. Zistil, že urán vysiela neviditeľné žiarenie, ktoré pôsobí na zabalenú fotografickú platňu podobne ako röntgenové žiarenie a tak isto ako röntgenové žiarenie robí vzduch elektricky vodivým (ionizuje ho). Jav bol nazvaný prirodzenou rádioaktivitou. V Becquerelových pokusoch pokračovala Mária Skłodowská – Curie. Ukázala, že intenzita rádioaktívneho žiarenia je úmerná množstvu uránu v danej zlúčenine a nezávisí od jeho chemickej väzby. Neskôr zistila, že aj zlúčeniny tória žiaria podobne ako urán, to znamená, že jav je všeobecnejší. Tiež zistila, že hornina musí obsahovať prvok, alebo prvky rádioaktívnejšie ako urán, pretože jej ionizačný účinok bol neúmerne veľký. Po namáhavom chemickom spracovaní veľkého množstva týchto rúd sa podarilo dokázať, že smolinec obsahuje dva do tej doby neznáme prvky s atómovými číslami 84 a 88 – polónium a rádium. Skúmaním rádioaktívneho žiarenia v magnetickom alebo elektrickom poli zistil v roku 1899 novozélandský vedec Ernest Rutherford, že toto žiarenie sa štiepi na tri zložky: a-žiarenie, b-žiarenie (negatrónové a pozitrónové) a g žiarenie.

3  Rádioaktivita
Rádioaktivita je dej, pri ktorom sa jadro atómu mení za vzniku lúčov alebo častíc – rádioaktívneho žiarenia – pričom sa zvyčajne vytvorí jadro iného prvku. Je výsledkom spontánneho rozpadu nestabilných atómových jadier. Nemajú na ňu vplyv chemické procesy, tlak, teplota ani pôsobenie elektrického poľa. Každý chemický prvok má okrem stabilných izotopov aspoň jeden rádioaktívny izotop (rádioizotop). V prírode sa ich vyskytuje málo, ale dajú sa umelo vytvoriť. Dnes je známych vyše 1000 prirodzených alebo umelo vytvorených rádioizotopov. 
 
4  Jadro, stavebné prvky jadra
Jadro atómu pozostáva z nukleónov. Medzi nukleóny patrí protón a neutrón. Počet protónov v jadre vyjadruje protónove číslo Z. Protónové číslo určuje kladný elektrický náboj jadra Q = Ze a súčasne je to poradové číslo chemických prvku v periodickej sústave prvkov (e = 1,602.10-19 C je elementárny náboj). Počet všetkých nukleónov v jadre predstavuje nukleónové číslo A. Rozdiel nukleónového čísla A a protónového čísla Z, predstavuje počet neutrónov N v jadre. A=Z+N. Zvyčajne prevyšuje počet neutrónov počet protónov v jadre. Zvlášť viditeľný je tento rozdiel pri jadrách vyšších Z. Protónové a nukleónové číslo sú charakteristikami jadra atómu a používame pre ne symbol prvku v tvare AZX alebo v tvare X(A). Pre polomer R atómového jadra, ktorého má nukleónové číslo A, platí závislosť: R = R0 ,kde R0 = 1,3.10-15m.

Jadrové sily sú príťažlivé sily pôsobiace medzi nukleónmi v jadre atómu a držia jadro pohromade. Atómová hmotnosť je určená počtom nukleónov. Izotopy sú atómy rovnakého protónového čísla ale rôznej atómovej hmotnosti. Nuklid je atóm (prípadne len jadro atómu), ktorý má určitý konkrétny počet protónov a zároveň určitý konkrétny počet neutrónov. Rozdeľujú sa na izotopy(rovnaké Z ale odlišné A), izotóny(rovnaké neutrónové číslo) a izobary(rovnaké nukleové čislo).
 
5 Jadrová energia
Jadrová energia je energia, ktorú musíme dodať, aby sa jadro rozdelilo na jednotlivé častice. Táto energia vzniká premenou z hmotnosti a udržiava jadro kompaktné. Jadrová energia (atómová energia) je energia „uložená“ v jadre atómu, ktorá sa môže uvoľniť počas vhodnej jadrovej reakcie( premena jadra atómu). Uvoľňuje sa vo forme pohybovej energie častíc, ktoré počas reakcií unikajú z jadra. Po rozštiepení jadra sa jeho časti odpudzujú veľkými elektrostatickými silami, čím získajú veľkú pohybovú energiu, ktorú postupne odovzdávajú atómom prostredia, ktorým prenikajú. Prostredie sa ionizuje a silne zohrieva. Takáto premena sa využíva: v jadrových reaktoroch- zariadenie, vďaka, ktorému sa jadrová energia pohybuje požadovanou rýchlosťou ; a v jadrových bombách. Jednotkou jadrovej energie je elektrónvolt [eV]. Je to súčin elementárneho náboja a napätia. 1eV = 1,6.10-19 J. Tiež sa používa veličina s názvom „jadrová energia pripadajúca na jeden nukleón“ [εj]. Veľkosť jadrovej energie môžeme vypočítať pomocou vzorca, je odvodený od Einsteinovho. Pôvodný Einsteinov vzťah znie E=mc2 , no vzorec na výpočet väzbovej energie bude znieť Ej=Bj.c2 . Hmotnostný úbytok B je rozdiel medzi súčtom pokojových hmotností Z.mp + N.mn všetkých nukleónov tvoriacich jadro nuklidu X a pokojovou hmotnosťou mj jadra, t.j.  B = Z.mp + N.mn – mj kde N = A – Z.
 
6  Jadrové reakcie
Jadrové reakcie sú také deje, pri ktorých jadrá zväčšujú hodnotu  pričom sa uvoľňuje energia. Je to premena jadra vyvolaná vzájomnou interakciou s inými jadrami alebo časticami.  Poznáme dve jadrové reakcie: 1.) štiepenie jadier 2.) syntéza jadier

6.1 Štiepenie jadier
K štiepeniu dochádza len pri veľmi ťažkých jadrách, ktorých hodnota A je väčšia ako 56 (obvykle viac ako 200). Tento dej sprevádzajú nasledovné javy: únik štiepnych neutrónov, vznik g-žiarenia a uvoľnenie jadrovej energie. Pred tým než reakcia začne je potrebné ho uviesť do excitovaného stavu, aby vôbec k štiepeniu došlo. Následne sa takéto jadro ostreľuje časticami, najčastejšie neutrónmi, ktoré sú ako projektil najúčinnejšie, pretože nemajú žiadny náboj a tak sa neodpudzujú s kladne nabitým jadrom. Na spustenie jadrovej reakcie stačí jediná častica, ktorá po náraze rozštiepi jadro na dve, tri prípadne štyri časti. Počas štiepenia sa uvoľňuje energia a zároveň ďalšie častice, ktoré môžu kolidovať s ostatnými jadrami.

Všeobecne môžeme túto reakciu zapísať ako a + A B + b + E , kde a je bombardujúca častica, A bombardované jadro, B vzniknuté jadro, b uvoľnená častica a E uvoľnená energia. V jadrových reaktoroch prebieha štiepna reakcia izotopov uránu  , ktoré sú ostreľované pomalými neutrónmi (sú spomalené – väčšia šanca, že zasiahne jadro priamo – inak sa môžu odraziť) Po kolízii sa jadro rozštiepi na dve stredne ťažké jadrá – kryptón a bárium, pričom sa uvoľní asi 200 MeV energie a ďalšie tri neutróny. Tieto tri neutróny rozštiepia ďalšie jadrá, kde každý tiež uvoľní tri neutróny. Teraz sa však už rozbije deväť jadier a takto to pokračuje ďalej. Tento dej sa nazýva reťazová reakcia.
 
Avšak nie vždy všetky neutróny zasiahnu jadro. Preto existuje takzvaný multiplikačný koeficient „k“. Ten vyjadruje priemerný počet uvoľnených neutrónov, ktoré vyvolajú ďalšie štiepenie. V prípade, že k >1 – reťazová reakcia sa zväčšuje. Ak platí, že k < 1 – reakcia vyhasína, a ak platí k = 1 – reakcia je stacionárna. 
 
6.2  Syntéza jadier
Ide o jadrovú reakciu, pri ktorej sa spájajú atómové jadrá ľahších prvkov, čím vznikne nové, ťažšie jadro. Prvú jadrovú reakciu uskutočnil v roku 1919 anglický fyzik E. Rutherford.  Syntéza atómových jadier (fúzia) prebieha len pri ľahkých jadrách, čiže takých, ktorých hodnota A je menšia ako 56 (obvykle omnoho menšia). Touto cestou je možné získať niekoľkonásobne viac energie ako štiepením jadier. Fúzia môže prebiehať iba pri priblížení jadier na vzdialenosť pôsobenia jadrových síl (sily čo viažu neutróny), avšak musia prekonať sily vzájomného elektrostatického odpudzovania. Prekonanie týchto síl je možné dosiahnuť iba pri vysokých relatívnych rýchlostiach jadier, čiže pri veľmi vysokých teplotách (približne niekoľko miliónov kelvinov). Pre túto skutočnosť sa nazývajú tiež termojadrové (termonukleárne). Ako príklad na termojadrovú reakciu môžeme uviesť syntézu dvoch jadier deutéria, čiže jadier vodíkov, ktoré sa skladajú z jedného protónu a jedného neutrónu. Tieto jadrá majú podobu plazmy, čo je silne ionizovaný plyn (podobu plazmy nadobúda pri vysokých teplotách). Pri tejto reakcii vzniká hélium a uvoľní sa jeden neutrón a približne 3,25 MeV energie. Reakciu môžeme zapísať nasledovne:  +  +  + E .

Energeticky významná je najmä syntéza deutériovej a tríciovej (jadro vodíka s jedným protónom a dvoma neutrónmi) plazmy. Produktom tejto reakcie je taktiež neutrón a hélium, ktoré má o jeden neutrón viac, avšak sa uvoľní omnoho väčšie množstvo energie, približne 17,6 MeV. Reakcia    +  + E .
 
Takéto reakcie prebiehajú napríklad na Slnku (spáli sa tam približne 430ton vodíka za sekundu). Na uskutočnenie riadenej tremojadrovej reakcie je potrebné udržiavať deutériovú plazmu v obmedzenom objeme a zároveň tepelne izolovanú od okolitého prostredia.
 
7  Jav prirodzenej a umelej rádioaktivity
7. 1  Prirodzená rádioaktivita
Prirodzená rádioaktivita je samovoľná premena nestabilných jadier na stabilné za súčasného vysielania žiarenia. Prírodná rádioaktivita je pozorovaná u prvkov s atómovým číslom vyšším ako 81. Pri rozpade atómového jadra sa vyžiari ionizačná energia, prípadne sa vyšlú elektróny a vznikne niekoľko atómov iných prvkov s nižšími atómovými číslami. Tieto sa prípadne môžu rozpadať ďalej až kým nedospejú ku konečnému stabilnému prvku, ktorým bývajú rozličné izotopy olova. Polčasy rozpadu prvkov sú rôzne: od sekúnd až po 1010 rokov.

Rádioaktívne žiarenie sa skladá zo štyroch druhov žiarenia:
1.)  Žiarenie alfa
2.)  Žiarenie beta
3.)  Žiarenie gamma
4.)  Žiarenie neutrónové
 
7.1.1  Žiarenie Alfa
Žiarenie alfa je prúdom kladne nabitých jadier hélia, ktoré sa pohybujú rýchlosťou 20000 km.s-1. Preniká vrstvou vzduchu, hrubou niekoľko centimetrov alebo tenkými kovovými fóliami. Ak izotop, ktorý je prírodným žiaričom , uvoľní jednu časticu alfa, rozpad možno vyjadriť rovnicou:

7.1.2 Žiarenie Beta
Žiarenie beta je v podstate prúd elektrónov, ktoré letia rýchlosťou 280 000 km.s-1. Niekedy sa rozlišuje β- (elektróny) a β+ (kladne nabité pozitróny). Je to asi 100-krát prenikavejšie ako žiarenie alfa (preniká prostredím s nízkou hustotou alebo malou hrúbkou, napr.: papierom). Vyžarované elektróny vznikajú v jadre rozpadom neutrónov podľa rovnice:
     +
Ak izotop 234Th uvoľní jednu časticu beta, rozpad možno vyjadriť rovnicou:
 – – – →  +  
7.1.3  Žiarenie Gama
Žiarenie gama  je elektromagnetické vlnenie, podobne ako viditeľné svetlo, ale má kratšiu vlnovú dĺžku (10-11 až 10-13 m). Je najprenikavejšou časťou jadrového žiarenia (preniká aj cez hliníkovú fóliu, zastaví ho olovená platňa). Tvorí ho prúd fotónov (častíc bez náboja), ktoré sa pohybujú približne rýchlosťou svetla. Je oveľa prenikavejšie ako doteraz najintenzívnejšie umelo vyrobené röntgenové žiarenie. g premena je samovoľná premena atómov, pri ktorej sa nemení nukleónové ani protónové číslo. Pri vysielaní g žiarenia prechádza atómové jadro z energeticky nestabilného stavu na izomér, ktorý je stabilný alebo sa ďalej premieňa.

 7.1.4 Neutrónové žiarenie
Neutrónové žiarenie je prúd neutrónov(častíc bez náboja).

7.2  Umelá rádioaktivita
V r. 1919 Ernest Rutherford ostreľoval plynný dusík časticami alfa. Pozoroval, že pri zásahu jadra dusíka časticou alfa sa uvoľnil protón. Uskutočnená reakcia bola vlastne prvou umelou premenou prvkov. jadra Umelá rádioaktivita je premena stabilného jadra atómu pôsobením iného alebo častice na nestabilné jadro, ktoré sa samovoľne rozpadá za súčasného uvoľnenia žiarenia. Pomocou umelej rádioaktivity možno vytvárať prvky, nevyskytujúce sa vo voľnej prírode, prípadne prvky s atómovým číslom vyšším ako 92 (medicínske účely, výskum). V r.1934 Irena Joliot Curie a jej manžel Frédérik Joliot Curie ožarovali hliník alfa časticami. Vznikol izotop fosforu. Tento izotop je rádioaktívny a v prírode sa nevyskytuje. Izotop sa samovoľne rozpadá na izotop kremíka a uvoľňuje sa pozitrón.

8. Jadrový reaktor
Jadrový reaktor je technologické zariadenie, v ktorom prebieha riadená reťazová reakcia. Využíva fyzikálne a chemické vlastnosti vysoko nestabilných chemických prvkov na produkciu energie, ktorá sa následne mení na požadovanú napr. elektrickú.

Prvý jadrový reaktor (uránovo-grafitový) bol uvedený do prevádzky v roku 1942 v Chicagu pod vedením Enrica Fermiho.  V jadrových reaktoroch sa ako štiepny materiál používa izotop uránu  235U. 235U sa záchytom neutrónu mení na 236U, ktorý je nestabilný v dôsledku čoho sa jeho jadro štiepi najčastejšie na dve časti (fragmenty). Po každom štiepení sa uvoľní presne 188MeV energie (vyplýva zo zákona zachovania energie). Pre zjednodušenie uvažujeme s 200MeV, ktoré sa rozdelia medzi štiepne fragmenty 160MeV a energiu rádioaktívnych premien 40MeV (beta častice 8MeV, gama fotóny 15MeV, neutróny 7MeV, ...).

Najväčší diel uvoľnenej energie odnášajú fragmenty, ktorých kinetická energia sa zrážkami s inými atómami znižuje a uvoľňuje v podobe tepla. Táto energia sa teplonosnou látkou napr. H2O, CO2odvádza do výmenníka tepla (parogenerátora) a z neho do parnej turbíny. Časť voľných neutrónov je zachytených v štiepnom meteriáli, ktoré zabezpečujú kontinuitu procesu, časť v konštrukčných materiáloch - obal palivového prútika, nádoba reaktora,... a časť v moderátore a absorbátore.

9. Využitie
Teplo, ktoré vzniká pri rozpade rádioaktívnych látok, sa najviac využíva v atómových elektrárňach. Takýmto spôsobom sa na svete vyrobí až 16 % všetkej elektriny. Pri lekárskej diagnostike sa takisto využívajú umelé formy ionizujúceho žiarenia vo forme röntgenového žiarenia. Na oddeleniach nukleárnej medicíny sa stretávame s aplikáciou najrôznejších rádionuklidov a s ožarovaním pri liečbe nádorových ochorení. Zdroje ionizujúceho žiarenia sa využívajú aj v mnohých priemyselných aplikáciách, napr. pri defektoskopických prácach, používaní hladinomerov alebo v požiarnych hlásičoch. Veľký význam má v poľnohospodárstve pri zvyšovaní úrodnosti či predlžovaní životnosti potravín.
 
Záver
Vďaka tomuto projektu som konečne zistil niečo viac o jadrovej fyzike. Som rád, že som si vybral túto tému pre môj projekt. Pri spracovávaní som sa dozvedel veľa podstatných informácií, ktoré sa mi nezídu len na maturitu, ale aj do každodenného života. Dozvedel som sa čo je to rádioaktivita, kto ju objavil, taktiež som sa dozvedel veľa o jadrovej energii a jadrových reakciách. Myslím, že to je veľmi zaujímavá téma, aj keď možno pre niekoho to tak na prvý pohľad nevyzerá. Verím, že jadrová fyzika je budúcnosť, pretože čoraz viac sa stavia jadrových elektrární, pretože je to ekologickejšie, aj keď je tam riziko výbuchu, a tiež sa táto časť fyziky rozvíja. Osobne som za to, aby sa jadrová fyzika rozvíjala, pretože jej úžasný potenciál by mal byť využitý na maximum. Dúfam, že vám môj projekt priniesol veľa nových a prospešných informácií, a že sa vám môj projekt páčil.