Základy jadrovej fyziky

Prírodné vedy » Fyzika

Autor: ivana123
Typ práce: Maturita
Dátum: 17.01.2014
Jazyk: Slovenčina
Rozsah: 2 522 slov
Počet zobrazení: 5 930
Tlačení: 429
Uložení: 394
Základy jadrovej fyziky
  
Úvod
Jadrová fyzika je len niečo vyše sto rokov staré odvetvie vedy. Jej výsledky sa za ten čas však už stihli nezmazateľne zapísať do histórie ľudstva a to najmä nie práve najpozitívnejším spôsobom. Väčšina ľudí si pri spomenutí pojmov ako „rádioaktivita“ či „jadrová reakcia“ vybaví zhodenie atómových bômb na japonské mestá Hirošima a Nagasaki počas druhej svetovej vojny s ich katastrofálnymi následkami, ďalší vývoj jadrových zbraní v iných krajinách, haváriu jadrovej elektrárne v Černobyle alebo Fukušime a využívanie jadrovej energetiky, ktorá so sebou prináša značné riziká. Len niektorí však chápu podstatu priebehu jadrových procesov a uvedomujú si aj ich pozitívne účinky, ako prínos v medicíne, priemysle či archeológií. Tiež je zrejmé, že život na Zemi existuje vďaka jadrovým reakciám prebiehajúcim na Slnku. Cieľom mojej práce je objasniť, čo je to rádioaktivita, z čoho sa skladá jadro atómu, ako a za akých podmienok môže prebehnúť jadrová reakcia a čo je vlastne nebezpečné žiarenie, ktoré sprevádza jadrové reakcie. Tiež bude vysvetlené, odkiaľ pochádza veľké množstvo energie uvoľňujúce sa pri reakciách a ako vieme túto energiu využiť v praxi.
 
1  Objav rádioaktivity
Koncom 19. storočia objavil H. Becquerel prirodzenú rádioaktivitu pomocou sčernenia fotografickej platne spôsobeného prenikavým žiarením vysielaným zlúčeninami prvku uránu. Vlastnosti tohto žiarenia študoval v spolupráci s M. Curieovou-Skłodowskou a jej manželom P. Curie. Títo v roku 1898 objavili prvok rádium. V roku 1911 objavil E. Rutherford so svojimi spolupracovníkmi pomocou žiarenia α atómové jadro. Tento objav sa považuje za zrod jadrovej fyziky. Jadro najľahšieho prvku vodíka bolo neskôr nazvané protónom a ukázalo sa, že je jedným z dvoch „stavebných prvkov“, z ktorých sú vybudované všetky jadrá. V roku 1919 uskutočnil prvú umelú premenu prvkov, kde v reakcii nastala zmena dusíka na kyslík. Druhý „stavebný prvok“ neutrón objavil v roku 1932 Rutherfordov spolupracovník J. Chadwick. Pri ostreľovaní berýlia prúdom častíc α vzniklo prenikavé žiarenie, ktorého častice nemali elektrický náboj.

Pri ostreľovaní jadier hliníka časticami α objavili v roku 1934 I. Curieová a F. Joliot Curie umelú rádioaktivitu. Vznikali jadrá fosforu, ktoré sa ďalej spontánne menili na kremík. Čoskoro po objave neutrónu si fyzici uvedomili, že neutrón, ktorý nemá elektrický náboj, nebude od jadra odpudzovaný elektrostatickými silami. Preto by mohol byť veľmi účinný pri vyvolávaní jadrových reakcií. Premeny jadier vyvolané dopadom neutrónov začal študovať v Ríme roku 1934 E. Fermi. Zistil, že neutróny pri prechode vodou alebo parafínom odovzdávajú časť svojej energie ľahkým jadrám v látke a spomaľujú sa. Pri vyvolávaní jadrových reakcií sú tieto pomalé neutróny často účinnejšie ako pôvodné rýchlejšie neutróny. Tento poznatok bol o niekoľko rokov využitý pri konštrukcii jadrových reaktorov.

2  Zloženie atómového jadra
Atómové jadrá sa skladajú z nukleónov (z latinčiny nucleus = jadro), t. j. neutrónov a protónov. Počet protónov udáva protónové číslo Z, neutrónové čislo N hovorí o počte neutrónov v jadre prvku. Nukleónové číslo A vypočítame ako súčet počtu protónov a neutrónov: A = Z + N.
Všeobecne je zloženie jadra označené symbolom
X
kde X je príslušná značka chemického prvku. Ak náboj elektrónu označíme ako −e, elektrický náboj jadra bude +Ze, e = 1,602. 10-19 C
Jadrá s rozličným zložením sa často výrazne odlišujú fyzikálnymi vlastnosťami, ale ak majú rovnaké Z, patria atómom toho istého chemického prvku. Nuklid je látkou, ktorej atómy majú jadrá s rovnakým zložením. Dva rôzne nuklidy prvku majú rovnaký počet protónov, ale odlišný počet neutrónov a nazývajú sa izotopy prvku.
Hmotnosť protónu je mp = 1,672 262 · 10-27 kg, čo je maličká hmotnosť, ale aj tá je obrovská v porovnaní s hmotnosťou elektrónu me = 9,109 · 10-31 kg. Približne platí: mp = 1837 me. Hmotnosť neutrónu je len o niečo málo väčšia ako hmotnosť protónu mn = 1,674 566 · 10-27 kg.
Rozmer protónu je dnes dobre známy. Polomer protónu je približne rp = 0,7 · 10-15 m. Rovnakú veľkosť má aj neutrón.
3  Väzbová energia
Vyjadrovanie hmotností neutrónov, protónov a jadier v kg je pomerne nepraktické. Hmotnosti obsahujú výrazy ako 10-27 kg. Jadroví a „časticoví“ fyzici používajú radšej jednotku
1 MeV/c2 = 1,782 · 10-30 kg
Na ľavej strane MeV = 106 eV a eV je energia, ktorú získa častica s nábojom +e ak je urýchlená v elektrostatickom poli rozdielom potenciálov rovnajúcim sa 1 V (volt). V menovateli na ľavej strane v rovnici označuje c rýchlosť svetla.
V jednotkách MeV/c2 pre hmotnosť protónu a neutrónu platí mp = 938,272 MeV/c2, mn = 939,565 MeV/c2
Napríklad pre jadro približne platí: m( He) = 3 727,7 MeV/c
Ak si však spočítame hmotnosti nukleónov, z ktorých sa toto jadro skladá, dostaneme: 2mp + 2mn = 3 755,7 MeV/c2
Hmotnosť jadra hélia je teda menšia o približne 28 MeV/c2 ako je súčet hmotností dvoch neutrónov a dvoch protónov, z ktorých sa jadro skladá.
Z rovníc a dostaneme
M ≡ 2mp + 2mn − m( )  28 MeV/c2
Ak sa dva neutróny a dva protóny spoja do jadra hélia celková hmotnosť sa zmení, poklesne o 28 MeV/c2. Hmotnosť sa teda v jadrových reakciách nezachováva. Energia sa pri jadrových reakciách zachováva. Rovnicu treba doplniť Einsteinovým vzťahom
E = ∆M · c2  1
ktorý hovorí, že ak hmotnosť poklesla pri reakcii o ΔM musela sa zároveň uvoľniť energia ΔE = ∆M · c2. Táto energia sa môže uvoľniť napríklad tak, že pri zlučovaní dvoch neutrónov a dvoch protónov na jadro vznikne niekoľko kvánt svetelného žiarenia, ktoré tých ΔE  28 MeV energie odnesú preč. Naopak, keby sme jadro  chceli rozdeliť na dva protóny a dva neutróny museli by sme jadru dodať energiu väčšiu alebo rovnajúcu sa 28 MeV. Energia ΔE = 28 MeV sa preto nazýva väzbovou energiou jadra hélia. Niekedy väzbovú energiu prepočítavame na jeden nukleón v danom jadre. V jadre hélia sú 4 nukleóny a z celkovej väzbovej energie ∆= 28 MeV pripadá na jeden nukleón 7 MeV.
Obrovské hodnoty väzbovej energie svedčia o veľkosti jadrových síl, ktoré viažu v jadre nukleóny, a to aj napriek silnému elektrostatickému odpudzovaniu kladne nabitých protónov. Okrem toho sa nukleóny v jadre pohybujú rýchlosťou asi 0,2 c a majú veľkú kinetickú energiu. V jadre teda musia pôsobiť oveľa väčšie príťažlivé sily, ako sú elektrostatické. Tieto sily nezáležia od elektrického náboja nukleónu a ich pôsobenie rýchlo klesá so zväčšovaním sa vzdialenosti medzi nukleónmi. Prejavujú vlastnosť nasýtenia, teda pôsobia len na malý počet okolitých nukleónov.

4  Syntéza a štiepenie jadier

Premena jadra vyvolaná vzájomnou interakciou s inými jadrami alebo časticami sa nazýva jadrová reakcia. Endoenergetické reakcie sú také, pri ktorých je potrebné dodávať energiu. Pri exoenergetických reakciách sa energia uvoľňuje. Pri mnohých jadrových procesoch sa mení časticové zloženie jadier. Ak do reakcie vstupujú jadrá s menšou hodnotou väzbovej energie, reakciou vznikajú jadrá s väčšou väzbovou energiou, pričom sa uvoľňuje energia. Existujú dva takéto deje, a to syntéza ľahkých jadier (zvyčajne A  56) a štiepenie veľmi ťažkých jadier (zvyčajne A   200).
Pri syntéze sa uvoľňuje jadrová energia, ktorá sa prejaví tak, že produkty reakcie budú mať väčšiu kinetickú energiu ako jadrá, ktoré do reakcie vstúpili.
Príklady syntézy ľahkých jadier:
, uvoľní sa energia 4,03 MeV
 + , uvoľní sa energia 22,36 MeV

Aby sa syntéza jadier uskutočnila, je nevyhnutné, aby sa kladne nabité jadrá vstupujúce do reakcie priblížili k sebe na vzdialenosť približne rovnajúcu sa dosahu jadrových síl. Tomuto bráni elektrostatické odpudzovanie jadier. Na jeho prekonanie treba časticiam dodať aktivačnú energiu, ktorú môžu získať napríklad v plazme (veľmi horúcom plyne). Vtedy hovoríme o termonukleárnej syntéze prebiehajúcej pomaly vo vnútri hviezd pri teplotách niekoľko miliónov kelvinov. Veľmi rýchlo a krátkodobo môže prebehnúť vo vodíkovej bombe, kde potrebnú vysokú teplotu poskytuje jadrová bomba slúžiaca ako rozbuška. Riadená termonukleárna reakcia je nádejným zdrojom energie v budúcnosti, zatiaľ sa však nepodarilo dosiahnuť dostatočne vysokú teplotu a hustotu plazmy. Keď Fermi ostreľoval neutrónmi jadrá ťažkých prvkov, najmä urán, domnieval sa, že vznikajú jadrá ťažších prvkov ako urán, tzv. transurány. Keď jeho pokusy neskôr opakovali nemeckí rádiochemici Hahn a Strassmann, v roku 1938 došli k prekvapujúcemu záveru: pri ostreľovaní jadier uránu sa tieto štiepia na dve stredne ťažké jadrá, ktoré sa ďalej rozpadávajú:

Koncových stavov tejto reakcie je viac, ale všetky majú spoločné dve vlastnosti:
a)  V reakcii sa uvoľňuje asi 200 MeV energie, z toho 80% ako kinetická energia jadier a neutrónov
b)  Vo väčšine reakcií vznikajú opäť neutróny
Štiepenie jadier uránu je teda zdrojom obrovskej energie. Vlastnosť b) pritom umožňuje vznik reťazovej reakcie, ktorá sa dá prakticky uskutočniť (viď príloha, obr. 2).
5  Rádioaktivita, žiarenie α, β, γ
Rádioaktivita je samovoľný jadrový rozpad nestabilného izotopu určitého prvku na izotop iného prvku, pričom nastáva emisia rádioaktívneho žiarenia. Rádionuklidy sú nestabilné nuklidy, ktoré sú rádioaktívne. Rozlišujeme prirodzené (asi 50) a umelé rádionuklidy (asi 1500) vytvorené pomocou jadrových reakcií, podľa čoho rozdeľujeme rádioaktivitu na prirodzenú a umelú.
Pri jadrových premenách vzniká žiarenie troch typov α, β a γ. Žiarenie α sú jadrá hélia He. Silným α žiaričom je rádium, ktoré objavila v roku 1898 Mária Curie-Skłodowska. Rádium sa rozpadá podľa schémy:

Pričom označuje jadro radónu, ktorý je sám rádioaktívny a rozpadá sa ďalej vyžiarením α-častice, teda jadra He:

Príkladom na žiarenie β je rozpad uhlíka  podľa schémy:
Jadrá, podobne ako atómy, môžu existovať v niektorom z kvantových stavov. Pri prechode zo stavu s vyššou hodnotou energie do stavu s nižšou hodnotou energie môžu vyslať kvantum elektromagnetického žiarenia s veľmi krátkou vlnovou dĺžkou, ktoré preniká hlboko do látky:
*   γ
Jadrá * a  majú rovnaký počet protónov a elektrónov, hviezdička pri prvom z nich naznačuje, že jadro je v stave s vyššou energiou. Žiarenie γ má elektromagnetickú povahu, sú to fotóny s energiami od 10 keV do niekoľko MeV. Pre porovnanie, fotóny viditeľného svetla majú energiu niekoľko eV.
Neutrónové žiarenie je prúd letiacich neutrónov. Nenesie elektrický náboj, preto je tiež veľmi prenikavé.
Spomínané žiarenia majú rôznu prenikavosť. Zatiaľ čo žiarenie α sa dá zastaviť listom papiera, žiarenie γ prejde aj cez betónový múr (viď príloha, obr. 1).

6  Reťazová reakcia
Pri štiepení jadra uránu vzniká niekoľko ďalších neutrónov, ktoré môžu vyvolať štiepenie ďalších jadier uránu. Niektoré neutróny unikajú zo štiepneho materiálu a niektoré zasiahnuté jadrá uránu sa buď nerozštiepia, alebo nastane jadrová reakcia bez produkcie ďalších neutrónov. V danom type štiepneho materiálu máme istý stredný počet účinných neutrónov k, ktoré vyvolávajú ďalšie štiepenie. Pri k > 1 sa reťazová reakcia lavínovito zväčšuje, pri k < 1 počet štiepení postupne klesá, pri k = 1 je počet štiepení za 1 sekundu konštantný. V jadrových elektrárňach sa k približne rovná 1, v jadrových zbraniach je k > 1.

6.1  Jadrový reaktor
V jadrovom reaktore sú uložené palivové články so štiepnym materiálom. Tok neutrónov v reaktore môžeme ovládať. Okrem tyčí obsahujúcich jadrové palivo sú v reaktore aj tyče obsahujúce kadmium, ktoré možno zasúvať a vyťahovať. Kadmium silne pohlcuje neutróny a zasunutie tyčí zastaví štiepnu reakciu (viď príloha, obr. 3). Už z experimentov E. Fermiho bolo známe, že pomalšie neutróny sú pri vyvolaní štiepnej reakcie účinnejšie ako rýchle. Vo viacerých typoch reaktorov sa teplo uvoľňované v reaktore odvádza vodou, ktorá cirkuluje v reaktore. Pri zrážkach s jadrami vodíka a kyslíka sa neutróny spomaľujú. Na tom je založený aj jeden z mechanizmov zvyšujúcich bezpečnosť reaktora. Ak sa voda príliš zahreje, začne sa vyparovať, neutróny prestanú byť spomaľované a štiepna reakcia vyhasne.

6.2  Černobyľská havária
Príčinou doposiaľ najväčšej havárie atómovej elektrárne v Černobyle bolo ťažko pochopiteľné zlyhanie ľudského faktoru. Reaktor štvrtého bloku ČJE bol v jame pod budovou jadrovej elektrárne. Jama mala steny z hrubého betónu. Na spomaľovanie neutrónov sa používal grafit, teda prakticky čistý uhlík. Reaktor pracoval dlhé roky spoľahlivo a havária nevznikla za jeho normálnej prevádzky. Stala sa pri experimente, v ktorom sa – paradoxne – mali študovať možnosti zvýšenia bezpečnosti reaktora. Nastalo však vážne porušenie bezpečnostných predpisov, keď vedenie elektrárne súhlasilo s polovičným výkonom reaktora, namiesto jeho odstavenia ako to bolo naplánované. Bezpečnostný systém, ktorý by bol reaktor automaticky vypol obsluha odstavila a prešli na ručné ovládanie reaktora. Jeho výkon sa prudko zvýšil a keď ho obsluha ručným ovládaním zastavila, bolo už neskoro. Reaktor sa prehrial a voda sa rozložila na výbušnú zmes vodíka a kyslíka. Nastal výbuch, poškodil reaktor ako aj jeho budovu a zapálil sa grafit. Výbuch vyniesol do ovzdušia asi 3% rádioaktívneho materiálu, čo viedlo ku katastrofe. O život okamžite pripravila 66 000 ľudí a okolo 70 000 ľudí bolo zranených. Lenže príbeh neskončil. Do konca roku 1945 zomrelo odhadom ďalších 140 000 ľudí v dôsledku ožiarenia pri explózii. Do roku 1951 zomrelo na choroby z tohto ožiarenia ďalších 60 000 ľudí.

6.3  Jadrové zbrane
Jadrové zbrane sú všetky zbrane využívajúce lavínovité, neriadené uvoľňovanie jadrovej energie alebo priamo štiepne produkty, resp. rádionuklidy. Rozdeľujú sa na roznecovače, teda výbušné jadrové zbrane a bojové rádioaktívne látky, ktoré sa používajú na zamorenie terénu a ovzdušia kvapalnými alebo plynnými rádioaktívnymi látkami. Poznáme dva typy roznecovačov, a to atómové bomby obsahujúce jadrový materiál na štiepenie jadra a termonukleárne roznecovače s materiálom na jadrovú syntézu, napr. vodíková bomba.

Po výbuchu jadrovej zbrane sa najprv ukáže oslnivý svetelný blesk, okolo ktorého sa vytvorí detonačný mrak. Potom vznikne ohnivá guľa, ktorý stúpa hore vytvárajúc akýsi „kmeň“ a berúc so sebou prach, zem alebo vodu, a na zemi pri mieste výbuchu je základný mrak. Výsledný útvar sa nazýva atómový hríb.
Jadrová výbušná zbraň má široké spektrum ničivého účinku:
· tepelný účinok: Na mieste výbuchu je teplota niekoľko miliónov stupňov Celzia. V prípade 1 Mt-ovej bomby sa napríklad v okruhu 14 km od epicentra sám zapáli papier. Samozrejme, že aj ľudia a živočíchy utrpia popáleniny kože a podobne.
· nárazová tlaková vlna: Táto je účinná do niekoľkých kilometrov od epicentra. Sprevádza ju hromový tresk. V mieste detonácie je pretlak asi 1 milión barov, ktorý potom klesá nepriamo úmerne k vzdialenosti. Po pretlakovej vlne nasleduje podtlaková vlna, ktorá sa prejavuje ako silný ťah smerom k miestu výbuchu.
· svetelný účinok: Je účinný do niekoľkých kilometrov.
· radiácia : Táto je spôsobená tokom neutrónov (asi z 3%) a γ, α a β žiarenia počas asi 1 minúty (počiatočná radiácia). Pre človeka je smrteľná v okruhu asi 2 km od epicentra. Časť žiarenia, ktorá ostane ešte po 1 minúte sa nazýva zvyšková radiácia. Pozostáva z radioaktívneho spádu a žiarenia indukovaného neutrónmi (α, β, γ žiarenie). Žiarenie asi po týždni od výbuchu klesne na hodnoty bezpečné pre človeka. Radioaktívny spád sa delí na lokálny (padá 10-20 hodín po výbuchu do vzdialenosti 400 km), kontinentálny (padá do týždňa po výbuchu do vzdialenosti 4000 km) a celosvetový (padá až po mesiacoch či rokoch). Podiel radiácie (a najmä neutrónov) sa dá zvýšiť na úkor ostatných ničivých účinkov, potom hovoríme o tzv. neutrónovej bombe.

7  Využitie rádioaktivity v archeológii
Polčas premeny je čas, za ktorý sa premení (rozpadne) polovica pôvodného počtu jadier rádioizotopu. Nadobúda hodnoty od zlomku sekundy až po miliardy rokov. Polčas rozpadu izotopu Ra(221) je 31 sekúnd, zatiaľ čo polčas rozpadu paliva pre jadrové elektrárne U(235) je 891 miliónov rokov.
Vo vzduchu je isté konštantné množstvo rádioaktívneho uhlíka , ktorý vzniká z dusíka vplyvom kozmického žiarenia a rozpadá sa s polčasom rozpadu 5370 rokov. Tento uhlík vo forme CO2 prechádza do rastlín a potravou do všetkých živých organizmov. Po odumretí prestáva výmena látok medzi organizmom a prostredím a obsah  klesá podľa rádioaktívnej premeny. Zmeraním množstva tohto uhlíka v archeologickom náleze je možné zistiť jeho vek (až do 60 000 rokov).

Záver
Jadrová fyzika je neodškriepiteľne zaujímavá, pre niekoho dokonca fascinujúca vedná disciplína. Pomáha nám pochopiť a objasniť mnohé veci, o ktorých sme v minulosti mohli robiť len hypotetické dohady. Tiež sme sa naučili záhadný zdroj energie pochádzajúci zvnútra atómov využiť v praxi na náš prospech, no nanešťastie, aj na našu škodu. Bolo objavené, že v atómovom jadre nuklidu sa nachádzajú protóny a neutróny viazané jadrovými silami. Väzbová energia je pre odlišné nuklidy rôzna. Štiepením ťažkých alebo syntézou ľahkých jadier sa môže uvoľniť jadrová energia. Jadrové reakcie sprevádza žiarenie α, β a γ. Poznatky jadrovej fyziky sa uplatňujú v jadrovej energetike, výrobe zbraní, ale aj v archeológií. Nádejným energetickým zdrojom v budúcnosti by mohla byť riadená termonukleárna reakcia.

Oboduj prácu: 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1


Odporúčame

Prírodné vedy » Fyzika

:: KATEGÓRIE – Referáty, ťaháky, maturita:

Vygenerované za 0.018 s.
Zavrieť reklamu