Jadrová fyzika základy

Jadrová fyzika základy
 
Úvod
Jadrová fyzika alebo nukleárna fyzika (z lat. nucleus = jadro) je časť fyziky zaoberajúca sa javmi v jadre atómu a štruktúrou jadra. Predmetom skúmania jadrovej fyziky je jadro atómu, jeho štruktúra ako aj reakcie medzi jadrami. Cieľom mojej práce je zhrnúť základy jadrovej fyziky  na úrovni stredoškolského učiva. Primeranou formou prezentovať elementárne princípy fyziky jadra atómu. Popísať zloženie jadra atómu, jeho charakteristické vlastnosti, jadrovú fúziu,  jej princíp, štiepnu reakciu  jej priebeh a využitie v jadrovom reaktore, objav rádioaktivity, druhy žiarenia. Ozrejmiť rozdiel medzi prirodzenou a umelou rádioaktivitou.  

1. Atómové jadro
1.1.  Zloženie atómového jadra
Atómové jadro sa skladá z protónov a neutrónov, ktoré nazývame spoločným názvom nukleóny. Počet protónov v jadre udáva protónové 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 neutrónov v jadre udáva neutrónové číslo N, celkový počet nukleónov vyjadruje nukleónové číslo A (nazýva sa aj hmotnostné číslo), platí :  A = Z +N. Protónové a nukleónové číslo sú charakteristikami jadra atómu a používame pre ne symbol prvku v tvare AZX alebo v tvare X(A), kde X je značka prvku.(Zmaturuj z fyziky Pavol Tarábek)
 
1.2.  Vlastnosti atómového jadra
 
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. Jadrové sily pôsobia medzi všetkými nukleónmi t.j. medzi dvomi protónmi, medzi protónom a neutrónom i medzi dvomi neutrónmi, sú omnoho väčšie než odpudivé elektrostatické sily medzi protónmi a sú silami veľmi krátkeho dosahu porovnateľného s veľkosťou jadra (asi 10-15m),prejavujú vlastnosť nasýtenia – pôsobia iba na malý počet okolitých nukleónov.
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.
Väzbová energia jadra Ej je energia, ktorú je potrebné dodať, aby sa rozdelilo na jednotlivé nukleóny. Je to súčasne energia, ktorá by sa uvoľnila pri vzniku jadra z voľných nukleónov. Platí Ej =  B.c2, kde B je hmotnostný úbytok. (Zmaturuj z fyziky Pavol Tarábek) 
 
2.  Jadrová fúzia
Jadrová fúzia alebo jadrová syntéza je zlúčenie atómových jadier s nižšou atómovou hmotnosťou do jadra s vyššou atómovou hmotnosťou. Je to opačný proces ako jadrovému rozpadu.
Dve atómové jadrá sa spoja a dohromady vytvoria jedno väčšie. Principálne je možné spájať ľubovoľné jadrá. Na získavanie energie z jadrovej fúzie však možno použiť iba jadrá medzi vodíkom a železom.(wikipedia.sk)
 
2.1. Princíp jadrovej fúzie
Dve jadrá sú kladne nabité a dostať ich k sebe tak blízko, aby sa mohli zlúčiť (aby mohli účinkovať jadrové sily), je možné, len ak majú dostatočne veľkú energiu na prekonanie potenciálovej bariéry. Jednou z možností je, že im udelíme vysokú rýchlosť napríklad silným zahriatím. Teplota musí dosiahnuť niekoľko miliónov stupňov Celzia. Takúto teplotu neznesie žiaden materiál, preto musí byť "horiace" palivo oddelené od stien zariadenia vákuom. Látky pri týchto teplotách sú v stave plazmy, sú úplne ionizované, preto je možné na ich izoláciu použiť magnetické pole, ktoré udrží palivo v bezpečnej vzdialenosti od stien. Po naštartovaní reakcie sa palivo zahrieva aj energiou uvoľnenou z fúznej reakcie. Aby sa reakcia udržala, musí byť hustota atómov v reaktore pomerne veľká, čo sa dosahuje pomocou silného magnetického poľa.(wikipedia.sk)
 
3.  Štiepna reakcia
Štiepna jadrová reakcia je jadrová reakcia, pri nej dochádza k rozbitiu jadra nestabilného atómu vniknutím cudzej častice (väčšinou neutrónu) za uvoľnenia energie. Štiepenie uvoľňuje energiu, lebo hmotnosť rozpadnutého produktu je nižšia ako hmotnosť pôvodného atómu – stratená hmotnosť sa priamo zmenila na energiu podľa Einsteinovej rovnice E = mc². (Veda Adam Hart-Davis) 
 
 
3.1.  Princíp štiepnej reakcie
 
Ku štiepnej jadrovej reakcii dochádza u ťažkých atómových jadier (napr. 235U) pri ich ostreľovaním neutrónmi. Neutrón prenikne do jadra uránu, je absorbovaný a tím sa predá tomuto jadru toľko energie, že sa rozkmitá a rozdelí s vetšinou na dva odštiepky, ktoré sa od seba veľkou rýchlosťou vzďaľujú. Sú však veľmi skoro brzdené nárazmi o okolité atómové jadrá a ich pohybová energie sa mení na energiu tepelnú. Pri rozštiepení jadra uránu sa rovnako uvoľnia dve až tri rýchle neutróny. Aby sa zvýšila pravdepodobnosť štiepenia ďalšieho jadra, musíme tieto neutróny spomaliť (moderovať) pomocou zrážok s moderátorom (často sa používa voda, ktorá slúži súčasne ako chladidlo). Pokiaľ by však neutróny iba zpomalovali a neregulovali ich počet, došlo by k exponenciálnemu rastu počtu štepení a k neriadenej reťazovej reakcii – výbuchu. Pre záchyt prebytočných neutrónov môžu slúžiť napríklad jadrá atómov bóru, ktorý sa vo forme kyseliny boritej pridáva do chladiva primárneho okruhu. Štiepna reakcia sa taktiež riadi pomocou tyčí absorbujúcich neutróny, ktoré sa buď zasúvajú, alebo vyťahujú z aktívnej zóny reaktoru. Štiepenie uránu 235 (prípadne uránu 238, plutónia a výhľadovo thória) je využívané v jadrových elektrárňach a je tiež princípom jadrových zbraní.
(Veda Adam Hart-Davis) 
 
3.2.  Jadrový reaktor
Prvý jadrový reaktor (uránovo-grafitový) bol uvedený do prevádzky v roku 1942 v Chicagu pod vedením Enrica Fermiho. Využitie jadrovej energie na pohon lodí a ponoriek je myšlienkou dr. Rossa Gunna.
Jadrové elektrárne sú v podstate tepelné elektrárne, ktoré používajú namiesto parného kotla jadrový reaktor s parným generátorom. Rozdiel je iba v použitom druhu paliva a spôsobe jeho premeny na teplo. Reaktor využíva väzbovú energiu jadra, ktorá sa uvoľňuje pri štiepení jadier ťažkých prvkov. Opakom je uvoľnovanie energie pri fúzii (spájaní) jadier ľahkých prvkov. V energetických jadrových elektrárňach sa štiepi urán, ktorý sa v prírode nachádza ako minerál smolinec (uraninit). Jadrové palivo je veľmi efektívne v porovnaní napr. s uhlím, biomasou alebo obnoviteľnými zdrojmi energie. Z 1 gramu 235U vznikne úplným štiepením až 75 600 MJ tepelnej energie. Pre energetické účely sa využíva štiepna reakcia, ktorá je dobre technologicky zvládnutá. Vieme ju bezpečne riadiť a regulovať. Až sa podarí vedcom zvládnuť riadenie priebehu termonukleárnej reakcie - fúzie, získa človek nevyčerpateľný zdroj energie.(wikipedia.sk)
 
4.  Rádioaktivita
 
Rádioaktivita patrí medzi objavy, ktoré sa vo vede uskutočnili úplne náhodou. Roku 1896 francúzsky vedec Henri Becquerel skúmal, či nedávno objavené röntgenové žiarenie nejako súvisí s tým, že niektoré fosforeskujúce látky po ožiarení jasním svetlom svietia. Pri príprave experimentu zbalil vzorku fosforeskujúcich solí do čiernej látky a umožnil ju medzi medzi fotografické platne. Tie sa mu však „zahmlili“ ešte skôr Becquerel než urán osvietil. Neskôr objavil že platne sú schopné zahmliť aj nefosforeskujúce zlúčeniny uránu.
Najprv si Becquerel myslel, že toto „žiarenie“ je podobné röntgenovému žiareniu, no keď zistil, že toto žiarenie sa dá odkláňať pomocou magnetického poľa, uvedomil si, že v skutočnosti ide o prúd nabitých častíc. Pri prechode vzduchom navyše toto žiarenie dokázalo molekuly vzduchu elektricky nabiť. Preto dostal tento nový ja označenie „ionizačné žiarenie“. (Veda Adam Hart-Davis) 
 
4.1.  Alfa, beta a gama žiarenie
V roku 1899 novozélandský fyzik Ernest Rutherfort a anglický fyzik Frederick Soddy identifikovali dva rôzne typy rádioaktívnej častice, ktorú Rutherfort nazval „alfa“ a „beta“. Častice alfa boli pomerne ťažké a mali silný ionizačný efekt, no vo vzduchom prešli krátku vzdialenosť a bolo ich možné zastaviť aj hárkom papiera. O niekoľko rokov sa zistilo, že ide o kladne nabité ióny hélia. Častice beta boli oveľa ľahšie a mali aj menší ionizačný účinok, no prechádzali aj niekoľko milimetrovým kovovým štítom. Nakoniec sa zistilo, že ide o samotné záporné elektróny. Rovnaké elektróny aké sa nachádzajú v štruktúre všetkých atómov.
V roku 1900 francúzsky chemik Paul Villard objavil tretí typ ionizujúceho žiarenia  - žiarenie gama, ktoré prenikalo železným, 20cm hrubým plátom. Vysvitlo, že ide o vysokoenergetické žiarenie podobné röntgenovému, ale s ešte kratšou vlnovou dĺžkou.
V roku 1901 Rutheford a Soddy zistili, že sa atómy vo vzorke rádioaktívneho tória menia na atómy vo vzorke rádioaktívneho rozpadu látky zistili istú závislosť, ktorú Rutherford nazval „polčas rozpadu“. Soddy zistil, že niektoré rádioaktívne atómy majú nerádioaktívne ekvivalenty, ktoré síce majú rovnaké chemické vlastnosti, ale inú hmotnosť. Takéto atómy nazval „izotopy“. Do roku 1905 rutherfort zistil źe rádioaktívne atómy sledujú „rozpadový rad“, pri ktorom sa rozpadajú na rôzne izotopy až kým nedosiahnu stabilný a nerádioaktívny stav. (Veda Adam Hart-Davis) 
  
4.2.  Umelá rádioaktivita
Umelú rádioaktivitu získajú prvky transmutáciou, vplivom reťazovej reakcie alebo pôsobením urýchlených častíc. Umelá rádioaktivita je vtedy podmienená premenou jadra, ktorá je zpôsobená vnútorným vplivom, napr. pri ostrelovaní časticami alfa sa jadrá môžu ďalej samovoľne rozpadať, tzn. vykazujú rádioaktivitu. Takéto jadrá v prírode bežne neexistujú, ale bola vytvorená umelo. Zákonitosti rozpadu týchto umelo vytvorených jadier sú zhodné so zákonmi popisujúcimi rozpad prirodzených rádioaktívnych jadier.
Na vzniku týchto jadier boli nutné vnútorné umelé zásahy, hovoríme o umelej rádioaktivite. Jav umelej rádioaktivity ide demonštrovať na nasledujúcom príklade. Vložením rádioaktívneho izotopu polónia    do hliníkové nádoby pozorujeme prenikavé žiarenie, ktoré vychádza z nádoby, a ktoré neustáva ani po odstránení polónia z nádoby. Hliníková nádoba sa teda pôsobením rádioaktívneho polónia sama stala (umelo) rádioaktívnou.
Polónium   je totiž prirodzene rádioaktívne, pričom pri svojom rozpade vyžaruje alfa častice, ktoré premieňajú hliník na izotop fosforu
,
kde   označuje neutrón.
Izotop fosforu   je však nestabilní s poločasom rozpadu  . Prostredníctvom kladného beta rozpadu prechádza na stabilní kremík, tzn.
, kde je vyžaruje pozitrón a predstavuje neutríno. Umelou rádioaktivitu prvý krát pozorovali manželia Joliot-Curie v decembri 1933. Omylom zabudnutá hliníková fólia po pokusoch s pozitrónmi zostala u čítačky lúčov. Na ňom sa neskôr objavil vysoký počet záznamov. Pri pátraní po príčine sa podarilo objaviť vyššie spomenutou reakciou a chemicky ju dokázať. Za svoj objav boli obaja objavitelia ocenení Nobelovou cenou.(wikipedia.cz)
 
Záver
Jadrová fyzika má v dnešnom svete obrovské uplatnenie ako v energetike (jadrové elektrárne) vo zbrojárstve (nukleárne zbrane) a v medicíne (rádioterapia). Ale je veľmi nebezpečná: jadrové hlavice by mohli zničiť celú Zem a je tu hrozba havárií jadrových elektrární a problém s jadrovým odpadom. Ciele sa mi podarilo splniť, podozvedal som sa nové informácie z oblasti jadrovej fyziky. Vo svojej práci som popísal zloženie jadra atómu, jeho charakteristické vlastnosti, jadrovú fúziu,  jej princíp, štiepnu reakciu  jej priebeh a využitie v jadrovom reaktore, objav rádioaktivity, druhy žiarenia a ozrejmil rozdiel medzi umelou a prirodzenou rádioaktivitou.