30. Jadrová fyzika
30. Jadrová fyzika
- jadro – skladá sa z protónov a neutrónov => nukleónovA 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 Ek 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)
- b) k = 1 => reťazová reakcia je stacionárna (počet štiepení sa nemení)
- 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
- N0 – pôvodné množstvo rádionuklidu
- λ – rozpadová konštanta
- t – vek organizmu