30. Jadrová fyzika

30. Jadrová fyzika

• jadro – skladá sa z protónov a neutrónov => nukleónov^A _z X
• A – nukleónové číslo a Z je protónové číslo
• nuklidy – majú rovnaké Z aj A
• izotopy – majú rovnaké Z, ale rôzne A => líšia sa počtom neutrónov

– rozlíšime len fyzikálnymi vlastnosťami

• elektrický náboj jadra – Q = Z . e
• e – elementárny elektrický náboj
• hmotnosť protónu je približne rovnaká ako hmotnosť neutrónu, ale oveľa väčšia ako hmotnosť elektrónu (asi 1800 krát)
• rozmery protónu a neutrónu sú približne rovnaké, ale oveľa väčšie ako rozmery elektrónu (asi 10 000 krát)
• rozmer jadra je asi 100 000 krát menši ako rozmer celého atómu => atóm je skoro prázdny v jadre je sústredená skoro celá hmotnosť atómu
• hmotnosť jadra je vždy menšia ako súčet hmotností jednotlivých nukleónov – hmotnostný úbytok
• hmotnostný úbytok – súvisí s väzbovou energiou jadra – energia, ktorú musíme dodať aby sme jadro rozdelili na jednotlivé nukleóny (musíme porušiť silné príťažlivé jadrové sily medzi nukleónmi)

ΔE = Δm . c

• ak chceme rozdeliť jadro musíme dodať energiu => ΔE = + => Δm = + => hmotnosť nukleónov sa zväčší
• ak spájame nukleóny do jadra uvolní sa pritom energia => ΔE = – => Δm = -
• praktické je prepočítať väzbovú energiu na 1 nukleón ΔE / A , aby sme ju mohli porovnávať pre rôzne atómy
• čim viac energie na jeden nukleón potrebujeme na rozbitie jadra, tým stabilnejšie je jadro a tým ťažšie sa delí

• syntéza a žiarenie jadier reťazová reakcia – pri jadrových reakciách sa mení časticové zloženie jadier a uvoľňuje sa jadrová energia
• jadrové procesy delíme na :

1) syntéza látky jadier – prebieha s jadrami, ktoré majú A < 56

• produkty majú väčšiu E_k ako reaktanty, môžu ju odovzdávať ďalej, využívať ju
• na priebeh syntézy je potrebné aby sa jadrá k sebe priblížili na vzdialenosť jadrových síl, načo potrebujú veľkú energiu, ktorú môžu získať napr. v horúcom plyne =>
• termonukleárna syntéza – prebieha pomaly pri obrovskej teplote ( niekoľko miliónov Kelvínov) stretneme sa s ňou vo vnútri hviezd alebo prebieha rýchlo a krátkodobo vo vodíkovej bombe

– riadená termonukleárna reakcia je sľubným zdrojom energie, ale nepodarilo sa ju dlhodobo udržať pokusy prebiehajú v Tokamaku – prstencová nádoba s horúcou plazmou udržiavaná magnetickým polom v jej strede

2) štiepenie ťažkých jadier – A >56

• keďže neutrón nemá náboj môžeme ním ostreľovať jadro, nie je od neho odpudzovaní
• jadrá sa pri ostreľovaní štiepia, vznikajú nestabilné produkty, ktoré sa neskôr rozpadajú

• pri každom štiepení sa uvoľní veľké množstvo energie ( asi 200 MeV) a opäť vzniká neutrón
• ak neutrón vznikne pri štiepení, rozštiepia ďalšie jadrá a vzniká reťazová reakcia
• pomalšie neutróny sú pri vyvolanej reťazovej reakcii účinnejšie ( Fermi – pokusy )

• stredný počet účinných neutrónov – k – vyjadruje priemerný počet neutrónov uvolnených z jadra pri štiepení, ktoré vyvolajú ďalšie štiepenie
• môžu nastať 3 prípady : a) k > 1 => reťazová reakcia sa lavínovite zväčšuje (jadrové bomby)

1. b) k = 1 => reťazová reakcia je stacionárna (počet štiepení sa nemení)
2. c) k < 1 => reťazová reakcia vyhasína

• jadrový reaktor a jadrová elektráreň :

• jadrový reaktor – zariadenie, v ktorom prebieha kontrolovaná a riadená reťazová reakcia

– k je približne 1 ( o málo viac)

– tvoria ju : palivové tyče (obsahujú jadrá uránu)

regulačné tyče (slúžia na regulovanie štiepnej reakcie)

primárny okruh (obsahuje vodu, ktorá odvádza teplo z reaktora => chladí ho a zároveň spomaľuje neutróny)

• bezpečnosť reaktora zabezpečujú regulačné tyče a chladiaca voda => ak by sa k zvýšilo uvoľnilo by sa viac energie => chladiaca voda by sa vyparila a nespomalila by neutróny => reakcia by sa postupne zastavila (rýchle neutróny sú málo účinné)

• jadrová elektráreň – tvoria ju tri okruhy a to :

1) primárny – cirkuluje v ňom voda, ktorá odoberá teplo z reaktora ( voda je pod vysokým tlakom aby sa nevyparila)

2) sekundárny – obsahuje vodu, ktorá sa zohrieva od primárnej vody a mení sa na paru, vyparuje sa (vo výmenníku) para roztáča turbínu a vyrába elektrickú energiu

3) chladiaci okruh – v tomto okruhu sa sekundárna para ochladzuje a skvapalňuje v chladiacich vežiach

• okolo reaktora je ochranný kryt (betón a olovo), ktorý zabraňuje úniku neutrónov a rádioktívneho žiarenia
• v okolí elektrárne sú meracie stanice – dozimetre

• prirodzená a umelá rádioaktivita :

• rádioaktivita – žiarenie, ktoré vysielajú jadrá pri svojom rozpade
• prirodzená rádioaktivita – atómové jadrá sa rozpadajú samovoľne, lebo sú nestabilné uvoľňujú pritom jadrovú energiu vo forme rádioaktívneho žiarenia => toto obsahuje 3 zložky
• α žiarenie – prúd rýchlo letiacich α častíc – kladne nabité jadrá hélia

– najmenej prenikavé, pohltí to list papiera

• β žiarenie – prúd rýchlo letiacich záporných elektrónov – prenikavejšie

– pohltí ho hliníkový plech

β ⁺- prúd rýchlo letiacich pozitrónov ( elektróny s kladným nábojom)

β ^-

• γ žiarenie – prúd fotónov s vysokou energiou ( viac ako 10 k eV)

– najprenikavejšie, prejde aj cez olovený múr a je nebezpečné, spôsobuje genetické poškodenie orgánov

• jednotlivé zložky rádioaktívneho žiarenia môžeme odlíšiť tak, že necháme žiarenie prechádzať magnetickým polom => α a β sa odchýlia, každé na opačnú stranu, γ sa neodchýli (postupuje rovno)
• umelá rádioaktivita – ostreľovaním jadra vzniká nestabilný rádionuklid, ktorý sa ďalej samovoľne rozpadá a uvoľňuje rádioaktívne žiarenie

– objavená v roku 1934 manželmi Curieovcami

• polčas premeny – τ – to je čas, za ktorý sa rozpadne polovica pôvodného množstva rádionuklidu
• polčas premeny rádionuklidu uhlíka sa používa na stanovenie veku hornín a skamenelín
• rádionuklid uhlíku vzniká v atmosfére reakciou kozmického žiarenia s N a O a látkovou výmenou sa dostáva do živých organizmov keďže tento rádionuklid je nestabilný, rozpadá sa :

• b – antineutrón
• keď živý organizmus odumrie prestáva látková výmena => rádionuklid uhlíku sa viac nedopĺňa len sa rozpadá => jeho množstvo v odumretom organizme časom klesá => pomocou polčasu premeny potom môžeme určiť vek odumretého organizmu ( pre uhlík je polčas rozpadu 5730 rokov) => ak odumretý organizmus obsahuje polovicu pôvodného množstva rádionuklidu má 5730 rokov
• zákon rádioaktívnej premeny – hovorí o tom aké množstvo rádionuklidu obsahuje odumretý organizmus v danom čase

N = N₀ . e ^{-λ . t}

• N – množstvo rádionuklidu v čase
• N_{0 –} pôvodné množstvo rádionuklidu
• λ – rozpadová konštanta
• t – vek organizmu